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1. Auflage 2008
© 2008 by Verlag: Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft Service GmbH, Gießen Printed in Germany
ISBN 978-3-939902-86-7
Verlag: DVG Service GmbH Friedrichstraße 17
35392 Gießen 0641/24466 geschaeftsstelle@dvg.net
www.dvg.net
Institut für Pathologie
Zentrum für systemische Neurowissenschaften Hannover
___________________________________________________________________
Histologische und molekularbiologische Untersuchungen zur De- und Remyelinisierung bei der murinen
Theilervirus-Enzephalomyelitis
These
zur Erlangung des Grades eines Doctor of Philosophy (Ph.D.) durch die Tierärztliche Hochschule Hannover
Vorgelegt von Reiner Georg Ulrich aus Bergisch Gladbach
Hannover 2008
Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. Wolfgang Baumgärtner, Ph.D.
1. Gutachter: Prof. Dr. Wolfgang Baumgärtner, Ph.D.
Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover
2. Gutachter: Prof. Dr. Martin Stangel
Medizinische Hochschule Hannover
3. Gutachter: Prof. Dr. Stephan Steinlechner
Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover
4. Gutachter: Prof. Dr. Andreas Zurbriggen
Vetsuisse Fakultät, Universität Bern
Tag der mündlichen Prüfung: 24.10.2008
Die Anfertigung dieser Arbeit wurde durch eine Anschubfinanzierung des Zentrums für systemische Neurowissenschaften Hannover unterstützt.
Meiner Familie
Operative Hektik ersetzt kein geistiges Vakuum.
(Sprichwort)
ULRICH R., SEELIGER F., KREUTZER M., GERMANN P.G., BAUMGÄRTNER W.
(2008) Limited remyelination in Theiler’s murine encephalomyelitis due to insufficient oligodendroglial differentiation of nerve/glial antigen 2 (NG2)-positive putative oligodendroglial progenitor cells. Neuropathol. Appl. Neurobiol. online-first, doi: 10.1111/j.1365-2990.2008.00956.x
ULRICH R., KALKUHL A., DESCHL U., BAUMGÄRTNER W. Machine learning approach identifies new pathways associated with demyelination in a viral model of multiple sclerosis. (manuscript in preparation)
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Zeitschriften:
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ... 1
2 Literaturübersicht ... 4
2.1 Multiple Sklerose ... 4
2.2 Experimentelle Modelle der Multiplen Sklerose ... 7
2.3 Oligodendroglia und Myelin ... 12
2.4 Oligodendrogliale Zellen bei demyelinisierenden Erkrankungen von Mensch und Maus ... 21
3 Hypothesen und Ziele... 25
4 Limited remyelination in Theiler’s murine encephalomyelitis due to insufficient oligodendroglial differentiation of nerve/glial antigen 2 (NG2)-positive putative oligodendroglial progenitor cells ... 26
4.1 Abstract ... 27
4.2 Introduction ... 29
4.3 Materials & Methods... 30
4.4 Results ... 35
4.5 Discussion ... 52
4.6 Acknowledgements ... 56
4.7 References ... 57
5 Machine learning approach identifies new pathways associated with demyelination in a viral model of multiple sclerosis ... 64
5.1 Abstract ... 65
5.2 Introduction ... 66
5.3 Results ... 67
5.4 Discussion ... 79
5.5 Materials & Methods... 84
5.6 Acknowledgements ... 87
5.7 References ... 87
6 Diskussion ... 96
6.1 Klinische und pathohistologische Veränderungen bei der TME ... 96
6.2 Anzahl und Morphologie NG2-positiver OPCs bei der TME... 98
6.3 Differenzierung NG2-positiver OPCs bei der TME ... 99
6.4 Axonale Schäden bei der TME ... 101
6.5 Globale Analyse der veränderten Genexpression bei der TME... 102
6.6 Analyse der veränderten Genexpression unter Berücksichtigung der chronisch progressiven Demyelinisierung bei der TME ... 105
6.7 Schlussbetrachtung... 108
7 Zusammenfassung... 111
8 Summary ... 113
9 Literaturverzeichnis... 115
10 Anhang ... 142
10.1 Ergänzende Materialien zu Kapitel 4 (Supplemental material to chapter 4) ... 142
10.2 Ergänzende Materialien zu Kapitel 5 (Supplemental material to chapter 5) ... 143
10.3 Abkürzungen ... 171
11 Danksagung... 174
1 Einleitung
Die durch das „Theiler’s murine encephalomyelitis virus“ (TMEV, Cardiovirus, Picornaviridae) ausgelöste akute Polioenzephalomyelitis wurde erstmals 1933 von Max Theiler bei Labormäusen beobachtet (THEILER, 1934). Vor allem durch die Experimente von Daniels et al. (1952), Lipton (1975 und 1980) und Lipton und DalCanto (1979) wurde bekannt, dass die murine Theilervirus-Enzephalomyelitis („Theiler`s murine encephalomyelitis“, TME) in Abhängigkeit von den verwendeten Virus- und Mäusestämmen einen biphasischen Verlauf mit einer akuten Polioenzephalomyelitis und einer chronischen, multifokalen teils konfluierenden, lymphohistioplasmazellulären Meningoleukomyelitis mit progressiver Demyelinisierung und Astrogliose nehmen kann (DANIELS et al., 1952;
LIPTON, 1975; LIPTON, 1980; LIPTON und DAL CANTO, 1979). Seitdem wird die chronische, demyelinisierende TME als Modell für die Erforschung von Pathogenese und Therapie demyelinisierender Erkrankungen des Zentralnervensystems (ZNS), insbesondere der chronisch progressiven Verlaufsformen der Multiplen Sklerose (MS) des Menschen und der demyelinisierenden Form der Staupe des Hundes verwendet (ALLDINGER et al., 1993;
ALLDINGER et al., 2006; ALLDINGER et al., 1996; BAUMGÄRTNER und ALLDINGER, 2005; BAUMGÄRTNER et al., 2003; BAUMGÄRTNER et al., 1989; GERHAUSER et al., 2007a; GERHAUSER et al., 2007b; MARKUS et al., 2002; SEEHUSEN et al., 2007).
MS stellt die häufigste demyelinisierende Erkrankung des Menschen mit unbekannter, möglicherweise heterogener Ätologie dar (HAFLER, 1999; LASSMANN et al., 2001;
LUCCHINETTI et al., 2000; LUCCHINETTI et al., 2004). Sie ist eine autoimmune, entzündliche Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), die durch eine primäre Schädigung und Verlust der Myelinscheiden gekennzeichnet ist (LASSMANN et al., 2007;
RODRIGUEZ, 2007). Mit den heute zur Verfügung stehenden entzündungshemmenden, immunmodulatorischen und immunsuppressiven Therapien ist es möglich, bei der Mehrzahl der Patienten mit schubförmiger MS die Anzahl und Schwere der Erkrankungsschübe drastisch zu reduzieren. Allerdings versagen die etablierten Therapien meist in dem Moment, wo die Patienten in ein chronisch progressives Erkrankungsstadium eintreten, oder bei solchen Patienten mit primär progressivem Krankheitsverlauf (LASSMANN, 2007). Ein pathohistologscher Vergleich zeigt, dass bei akuter, schubförmiger MS vor allem fokale, entzündliche Entmarkungsherde in der weißen Substanz vorzufinden sind, wohingegen die
chronisch progressive MS durch einen mehr diffusen entzündlichen Prozess gekennzeichnet ist, der das ganze ZNS betrifft und bei geschlossener Blut-Hirn-Schranke abläuft (KUTZELNIGG et al., 2005b; LASSMANN, 2007). Bei chronisch progressiver MS wird trotz deutlich geringerer entzündlicher Veränderungen eine schmale Zone aktiver und vermutlich progressiver Entmarkung in der Peripherie der Herdveränderungen in der weißen Substanz beobachtet und darüber hinaus können kortikale Demyelinisierungen und diffuse axonale Schäden festgestellt werden (KUTZELNIGG et al., 2005a; KUTZELNIGG et al., 2005b; PRINEAS et al., 2001; PRINEAS und WRIGHT, 1978). Möglicherweise kommt es besonders durch eine intrathekale Antikörperproduktion in lokalen, intrameningealen Lymphfollikel-ähnlichen Strukturen zur Exazerbation der Erkrankung (ALOISI und PUJOL- BORRELL, 2006; MEINL et al., 2006; SERAFINI et al., 2004).
Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts und maßgeblich durch die Studien von Ramon y Cajal (1913), Koelliker (1896) und His (1904) beeinflusst bestand in den Neurowissenschaften das Dogma, dass das Gehirn adulter Wirbeltiere ein postmitotisch fixiertes Gewebe darstellt, in dem keine neuen Zellen mehr entstehen (HIS, 1904; KOELLIKER, 1896; RAMÓN Y CAJAL, 1913). Im Gegensatz dazu wurde in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts mittels radiographischer Messung der zellulären Aufnahme von Tritium-markiertem Thymidin das Vorhandensein proliferierender Zellen im ZNS adulter Wirbeltiere nachgewiesen (ADRIAN und WALKER, 1962; ALTMAN, 1969). Das Dogma geriet spätestens durch die Demonstration, dass im Gehirn von Vögeln täglich tausende von neuen Neuronen entstehen, die an der Kontrolle des Gesangs beteiligt sind, ins Wanken (BURD und NOTTEBOHM, 1985; GOLDMAN und NOTTEBOHM, 1983). In den folgenden Jahren erlebte die Erforschung neuroektodermaler Stammzellen einen starken Aufschwung, getrieben von der Hoffnung neue Therapien für bislang unheilbare Erkrankungen wie Multiple Sklerose, Morbus Parkinson und Morbus Alzheimer zu entwickeln (TEMPLE, 2001). Heute gilt es als gesichert, dass im ZNS adulter Wirbeltiere eine weit verbreitete Population oligodendroglialer Vorläuferzellen („oligodendroglial progenitor cells“, OPCs) vorkommt, die prinzipiell zur Regeneration zerstörter Myelinscheiden befähigt sind (DAWSON et al., 2003; DI BELLO et al., 1999; LIU und RAO, 2004; MASON et al., 2000). Zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass auch durch die Transplantation von OPCs eine Remyelinisierung von künstlich erzeugten Entmarkungsherden möglich ist (FRANKLIN und BLAKEMORE, 1997; MASON et al., 2004a). Auf Grund des Nachweises endogener OPCs in den demyelinisierten Läsionen von MS-Patienten stellte sich jedoch die Frage, warum es in vielen Fällen zu keiner
ausreichenden endogenen Remyelinisierung der Läsionen kommt (CHANG et al., 2000;
REYNOLDS et al., 2002; SCOLDING et al., 1998; WOLSWIJK, 2002). Auch erscheint eine Transplantationstherapie wenig Erfolg zu versprechen, wenn in den Läsionen Faktoren vorkommen, welche die Proliferation und Differenzierung der OPCs verhindern (BLAKEMORE und IRVINE, 2008; FRANKLIN und KOTTER, 2008). Mögliche Ursachen, die eine schnelle und vollständige Remyelinisierung verhindern können, sind: (I) Verlust der OPCs; (II) Störungen der Proliferation oder Differenzierung der OPCs; (III) Verlust der demyelinisierten Axone (FRANKLIN, 2002b).
2 Literaturübersicht
2.1 Multiple SkleroseDie Multiple Sklerose (MS), früher auch als Encephalomyelitis disseminata oder Charcotsche Krankheit bezeichnet, wurde erstmals 1868 von Jean-Martin Charcot histologisch als Krankheitsbild beschrieben (LASSMANN, 2005). Sie stellt eine autoimmune, entzündliche Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS) dar, die durch eine primäre Schädigung und einen Verlust der Myelinscheiden gekennzeichnet ist. Darüber hinaus können in den Herdveränderungen in variierendem Ausmaß sklerotische Narben (Astrogliose), Remyelinisierung (sogenannte Markschattenherde, „shadow plaques“), und sekundäre axonale Schädigungen festgestellt werden (LASSMANN et al., 2007; RODRIGUEZ, 2007).
Der Verlust der Myelinscheiden führt zu einer Behinderung oder einem Verlust der saltatorischen, axonalen Erregungsleitung. Neuere Forschungsergebnisse zeigen, dass es vor allem durch sekundäre axonale Schädigungen zu schwerwiegenden und irreparablen Funktionsverlusten kommt (DE STEFANO et al., 1998; DUTTA et al., 2006; TRAPP und NAVE, 2008).
Die Ätiologie der MS ist auch 140 Jahre nach ihrer Beschreibung noch ungeklärt, viele Forscher gehen aber davon aus, dass es sich bei der MS um ein Syndrom mit multipler Ätiologie handelt (HAFLER, 1999; LUCCHINETTI et al., 2000; LUCCHINETTI et al., 2004). Epidemiologische Untersuchungen weisen neben einer polygenen Veranlagung auf die mögliche Bedeutung von Umweltfaktoren, insbesondere Virusinfektionen, hin. In diesem Zusammenhang wurden das Masern-, das Epstein-Barr-, das Herpes-simplex-, das Varizella- Zoster-, das Zytomegalie-, das humane Herpesvirus-6, humane Coronaviren und das kanine Staupevirus genannt (BERTI und JACOBSON, 1999; CEPOK et al., 2005; EBERS et al., 1986; EDWARDS et al., 1998; HAAHR und HÖLLSBERG, 2001). Auch Retroviren wie das humane T-Zell Leukämie-Virus (HTLV-1) werden als mögliche Auslöser der MS diskutiert.
Anhand der Aktivität seiner reversen Transkriptase im Liquor von MS-Patienten wurde ein neues Retrovirus als MS-assoziiertes Retrovirus (MSRV) diskutiert (PERRON et al., 1997).
Jedoch konnte bislang keines der Viren als eindeutiger Auslöser der MS identifiziert werden.
Die durch das JC-Polyomavirus ausgelöste progressive multifokale Leukoenzephalopathie und die durch das Masernvirus hervorgerufene subakute sklerosierende Panenzephalitis
stellen klinisch und pathologisch wichtige Differentialdiagnosen zur MS dar (BELLINI et al., 2005; YAO et al., 2008).
MS ist die häufigste demyelinisierende Erkrankung des Menschen, mit einer Prävalenz von etwa 2,5 Millionen Erkrankten in Nordamerika und Europa, wohingegen Asiaten, Afrikaner und die Ureinwohner Nordamerikas wie Indianer und Inuit nur sehr selten betroffen sind (HAAHR und HÖLLSBERG, 2001; HAUSER und OKSENBERG, 2006; ROSATI, 2001).
Das HLA-DRB1 Gen auf Chromosom 6, welches für ein Histokompatibilitätsantigen der Klasse II (MHC II) kodiert, stellt den bedeutendsten genetischen Einfluss auf das MS Risiko dar (HAUSER und OKSENBERG, 2006). MS wird bei Frauen häufiger als bei Männern beobachtet und tritt zum ersten Mal in einem Alter von 20 bis 40 Jahren auf. Klinisch beginnt die MS bei ca. 85 % der betroffenen Patienten mit einem schubweisen und reversiblen Verlauf („relapsing / remitting“ MS, RRMS) (TRAPP und NAVE, 2008). Die Anzahl von Schüben ist sehr stark variabel und liegt im Mittel bei etwa 2 Schüben pro Jahr. Die initialen Symptome sind meist Visusstörungen, Muskelschwäche und Koordinationsschwierigkeiten.
Etwa die Hälfte aller MS-Patienten leidet darüber hinaus an kognitiven Störungen wie Aufmerksamkeits-, Konzentrations- oder Gedächtnisschwäche, reduziertem Urteilsvermögen und Depressionen. Bei der Mehrzahl an MS erkrankter Personen kommt es aus ungeklärten Gründen nach ca. 8-20 Jahren zu einer kontinuierlichen Verschlechterung des klinischen Status („secondary progressive“ MS, SPMS). Etwa 15 % der an MS erkrankten Personen zeigen einen primär progressiven Verlauf („primary progressive“ MS, PPMS). Die PPMS tritt statistisch gesehen 10 Jahre später auf als die RRMS und die Inzidenz ist für Frauen genauso hoch wie für Männer. Weiterhin werden noch einmalig auftretende benigne sowie schubweise verlaufende Krankheitsbilder unterschieden, in deren Verlauf es auf Grund unvollständiger Remission zu einer progredienten Verschlechterung des klinischen Bildes kommt („relapsing / progressive“ MS, RPMS) (KIESEIER und HARTUNG, 2003). Etwa 50 % der MS Patienten zeigen 10 Jahre nach Ausbruch der Erkrankung so starke Schäden, dass sie sich nicht mehr komplett selbst versorgen können und nicht mehr arbeitsfähig sind (TRAPP und NAVE, 2008). Nach 25 Jahren sind ca. 50 % der Erkrankten bewegungsunfähig. Im Mittel reduziert sich die Lebenserwartung von MS Patienten um sieben bis acht Jahre gegenüber dem Bevölkerungsdurchschnitt.
MS ist eine entzündliche Erkrankung der weißen Substanz des ZNS, charakterisiert durch herdförmige T-Zell- und Makrophageninfiltrate, Demyelinisierung und axonale Degenerationen (LASSMANN et al., 2007; TRAPP und NAVE, 2008). Neuere
Untersuchungen verdeutlichten die lange Zeit wenig beachtete Tatsache, dass die Myelinscheiden im Bereich der grauen Substanz ebenfalls von der Demyelinisierung betroffen sein können, jedoch ohne dass es in dieser Lokalisation zu deutlichen Immunzellinfiltrationen kommt (KUTZELNIGG et al., 2005b; PETERSON et al., 2001). Die pathohistologischen Veränderungen der MS-Läsionen in der weißen Substanz lassen sich basierend auf dem selektiven Verlust definierter Myelin-Proteine, der topographischen Verteilung der Läsionen, dem Ausmaß des Verlustes von Oligodendrozyten und dem Vorhandensein von aktivierten Komponenten des Komplementsystems in vier verschiedene Gruppen einteilen (Tabelle 1-1) (LASSMANN et al., 2001; LUCCHINETTI et al., 2000). Bei
Tabelle 1-1: Untergruppen der MS nach Lucchinetti et al., 2000 (LUCCHINETTI et al., 2000).
Gruppe Vermuteter Pathomechanismus
I T-Zell und Makrophagen vermittelte Demyelinisierung.
II Antikörper und Komplement vermittelte Demyelinisierung
III Distale Oligodendrogliopathie mit nachfolgender oligodendroglialer Apoptose IV Oligodendrogliale Degeneration
jedem Patienten wurde auch bei Untersuchung multipler Plaques immer nur ein Läsionstyp beobachtet, was als Hinweis auf eine möglicherweise heterogene Ätiologie der MS bewertet wurde. Alle aktiv-demyelinisierenden Läsionen zeigten entzündliche Infiltrate bestehend aus T-Zellen und Makrophagen. In den Läsionen der Gruppe I (T-Zell und Makrophagen vermittelte Demyelinisierung) kommen vor allem Makrophagen / Mikroglia im Zusammenhang mit degenerierten Myelinbestandteilen vor und es wird eine T-Zell vermittelte Hypersensitivitätsreaktion vom verzögerten Typ („delayed type hypersensitivity“, DTH) als ätiopathogenetisches Prinzip vermutet. Die Läsionen der Gruppe II (Antikörper und Komplement vermittelte Demyelinisierung) enthalten deutliche Mengen von Immunglobulinen und aktivierten Komplementkomponenten und es wird eine zusätzliche
Beteiligung des humoralen Immunsystems an der Schädigung der Myelinscheiden vermutet.
Die Läsionen in Gruppe III (Distale Oligodendrogliopathie mit nachfolgender oligodendroglialer Apoptose) zeigen einen deutlichen, frühen, selektiven Verlust des Myelin- assoziierten Glycoproteins (MAG) im Vergleich zu anderen Myelinkomponenten wie etwa Proteolipid Protein (PLP) sowie oligodendrogliale Apoptosen. Für die Läsionen der Gruppe III wird eine sekundäre ischämische Genese oder virale Infektionen als ätiopathogenetisches Prinzip diskutiert. Die Läsionen der Gruppe IV (Oligodendrogliale Degeneration) wurden insgesamt nur selten beobachtet und zeigten eine Zone oligodendroglialer Nekrosen in der weißen Substanz in der Nachbarschaft der aktiv demyelinisierenden Läsionen. Bei diesen Fällen werden toxische Prozesse als ätiopathogenetisches Prinzip diskutiert.
2.2 Experimentelle Modelle der Multiplen Sklerose
Bei unseren Haussäugetieren werden natürlich vorkommende demyelinisierende Erkrankungen vor allem im Rahmen der demyelinisierenden Form der Staupeenzephalitis des Hundes und der Visna des Schafes beobachtet (ALLDINGER et al., 1993; ALLDINGER et al., 2006; ALLDINGER et al., 1996; BAUMGÄRTNER und ALLDINGER, 2005;
BAUMGÄRTNER et al., 2003; BAUMGÄRTNER et al., 1989; GRÖNE et al., 2000;
GRÖTERS et al., 2005; MARKUS et al., 2002; MIAO et al., 2003; SEEHUSEN et al., 2007;
STOHLMAN und HINTON, 2001). Vor allem auf Grund ihres in der Forschung genutzten Modellcharakters sind zahlreiche experimentell-induzierte demyelinisierende Erkrankungen bei Labornagern beschrieben worden. Diese Modelle können an Hand ihrer definierten Ätiologie in virale, autoimmune, toxische und genetische Demyelinisierungen eingeteilt werden (Tabelle 1-2) (STANGEL und HARTUNG, 2002). Vergleichend kann man feststellen, dass keines der Modelle die komplette Heterogenität von Pathogenese, pathologischen Organveränderungen und klinischem Bild der MS in sich vereinigt.
Letztendlich sollte durch eine genaue Charakterisierung der Modelle geklärt werden, für welche Untergruppe der MS bzw. welche speziellen Aspekte der Pathogenese valide Aussagen getroffen werden können.
Den viralen MS-Modellen der TME, der murinen Hepatitisvirus (MHV)-Infektion und der caninen Staupe ist gemeinsam, dass es durch eine primäre Virusinfektion des ZNS zu einer Autoimmunreaktion gegen Myelinepitope kommt (BAUMGÄRTNER und ALLDINGER,
2005; MATTHEWS et al., 2002; OLESZAK et al., 2004; RODRIGUEZ, 2007). In Abhängigkeit vom verwendeten Virus-Substamm kann jedoch ähnlich wie bei der Semliki Forest-Virus-Infektion ein größerer Teil der Demyelinisierung auch durch eine virusinduzierte Zerstörung von Oligodendrozyten entstehen (FAZAKERLEY et al., 2006;
ZOECKLEIN et al., 2003). Zahlreiche epidemiologische Untersuchungen zur MS deuten auf die besondere Bedeutung von Virusinfektionen hin (CEPOK et al., 2005; HAAHR und HÖLLSBERG, 2001; HAUSER und OKSENBERG, 2006). Mit Hilfe der viralen Modelle wurden mögliche Mechanismen, wie es durch eine primäre Virusinfektion zur Auslösung einer Autoimmunreaktion gegen Myelinepitope kommen kann, charakterisiert.
Bei der Theilervirus-Enzephalomyelitis kommt es nach einer intrazerebralen Infektion von empfänglichen Mäusestämmen wie z.B. SJL/J, FVB/N, DBA/2, CBA, C3H und AKR mit den schwach neurovirulenten TMEV-Stämmen DA, BeAn, To, Yale und WW zu einem biphasischen Krankheitsverlauf mit einer initialen Polioencephalitis und einer chronisch demyelinisierenden Meningoleukomyelitis (BRAHIC et al., 2005; LIPTON, 1975;
MONTEYNE et al., 1997; ZOECKLEIN et al., 2003). Das Virus gelangt vermutlich auf axonalem Weg vom Gehirn ins Rückenmark (TSUNODA et al., 2003; TSUNODA et al., 2007). Es breitet sich von den Axonen in die zytoplasmatischen Kanäle der benachbarten Myelinscheiden aus, und persistiert lebenslänglich in der weißen Substanz des Rückenmarks (ROUSSARIE et al., 2007). Neben Oligodendrozyten gelten insbesondere aus dem Blut eingewanderte Makrophagen als Virusreservoir. Makrophagen unterliegen nach der Infektion mit dem BeAn-Stamm einer über Bax vermittelten Apoptose (SON et al., 2008), welche jedoch vermutlich durch die Wirkung des viralen L*-Proteins verzögert wird (GHADGE et al., 1998; VAN EYLL und MICHIELS, 2000). Auf Grund dieser Ergebnisse vermuten Lipton et al. (2005), dass die bereits zur Apoptose angeregten Makrophagen noch für eine gewisse Zeit die Replikation und Proteinsynthese des TMEV zulassen, den Zusammenbau des Virus aber unterdrücken (LIPTON et al., 2005). Sobald sich eine DTH-Reaktion gegen das Virus entwickelt hat, die nur bei empfänglichen Mäusestämmen nachweisbar ist (CLATCH et al., 1986), werden durch Lymphokine der CD4-positiven Zellen immer neue Makrophagen zum Ort der Infektion gelockt, aktiviert und möglicherweise während der Phagozytose von infektiösen Resten apoptotischer Zellen wiederum selbst infiziert. Dabei beginnt erneut die Virusreplikation, wodurch wiederum ein neuer Stimulus für die Aufrechterhaltung der DTH- Reaktion entsteht. Die DTH-Reaktion ist für die volle Ausprägung der Demyelinisierung verantwortlich, obwohl es auch in ihrer Abwesenheit zu einer geringen Demyelinisierung
Tabelle 1-2: Experimentelle Modelle der Multiplen Sklerose in Labornagern Gruppe Auslösendes Agenz Quellen
Theilervirus Enzephalomyelitis (GERHAUSER et al., 2007a;
GERHAUSER et al., 2007b; OLESZAK et al., 2004; ULRICH et al., 2006;
ULRICH et al., 2008)
Murines Hepatitisvirus (MATTHEWS et al., 2002; REDWINE und ARMSTRONG, 1998b)
Viral
Semliki Forest-Virus (FAZAKERLEY et al., 2006) Experimentelle autoimmune
Enzephalomyelitis
(DI BELLO et al., 1999; LASSMANN, 2004; REYNOLDS et al., 2002)
Typ IV Autoimmunreaktion durch Injektion von Bacillus Calmette- Guérin (BCG)
(ANTHONY et al., 1998) Autoimmun
Injektion von Anti- Galactocerebrosid-Antikörpern und Komplement
(KEIRSTEAD et al., 1998; WOODRUFF und FRANKLIN, 1999)
Cuprizone (BEDARD et al., 2007; HOFFMANN et
al., 2008; LINDNER et al., 2008;
TREBST et al., 2007)
Ethidiumbromid-Injektion (KOTTER et al., 2006; WOODRUFF und FRANKLIN, 1999)
Lysolecithin-Injektion (WOODRUFF und FRANKLIN, 1999) Toxisch
Lipopolysaccharid-Injektion (FELTS et al., 2005) Myelin basisches Protein „knock-
out“-Mutanten („shiverer mouse“)
(ROUSSARIE et al., 2007) Genetisch
Proteolidid Protein „knock-out”- Mutanten („rumpshaker mouse”,
„jimpy mouse”)
(EDGAR et al., 2004)
kommt, die vermutlich durch eine direkte virusbedingte Zytolyse der Oligodendrozyten entsteht (FIETTE et al., 1996). In der Frühphase der chronischen demyelinisierenden Erkrankung richtet sich die DTH-Reaktion direkt gegen TMEV-Epitope, doch im Verlauf der Erkrankung scheint sich die DTH-Reaktion durch „epitope spreading“ auch gegen autoantigene Epitope z.B. des basischen Myelinproteins und des Proteolipidproteins zu richten (BORROW et al., 1998; KATZ-LEVY et al., 2000; MILLER et al., 2001;
VANDERLUGT et al., 1998). Eine aktuelle Studie zeigt, dass es im Verlauf der TME zu einer starken intrathekalen Antikörperproduktion kommt (PACHNER et al., 2007a).
Bemerkenswerterweise gibt es einen synthetischen, monoklonalen Antikörper (mAb H8) gegen das TMEV, der mit murinem Galaktosylceramid (GalC) kreuzreagiert und myelinotoxisch wirkt (TSUNODA und FUJINAMI, 2005; YAMADA et al., 1990a). Auf Grund des Nachweises von Anti-GalC-Antikörpern bei TMEV-infizierten Mäusen wird vermutet, dass auch der als molekulare Mimikry bezeichnete Mechanismus an der Demyelinisierung beteiligt ist. Im Gegensatz zu Anti-GalC-Antikörpern deuten mehrere Studien darauf hin, das den ebenfalls nachweisbaren Anti-MBP-Antikörpern keine besondere pathogenetische Rolle zukommt (SEIL, 1994; WELSH et al., 1987).
Die chronische demyelinisierende TME entspricht in ihrem klinischen Verlauf der primär progressiven Verlaufsform der MS. Auf Grund der klar nachgewiesenen Rolle einer über MHC-II restringierte, CD4-positive T-Zellen vermittelten DTH-Reaktion (BORROW et al., 1998; CLATCH et al., 1985; KATZ-LEVY et al., 2000; MILLER et al., 2001), sowie des Nachweises einer robusten intrathekalen Antikörperproduktion (PACHNER et al., 2007a;
PACHNER et al., 2007b; YAMADA et al., 1990a), ist im Vergleich zur MS eine Verwandschaft der Pathogenese zu den Untergruppen I oder II nach Lucchinetti et al. (2000) wahrscheinlich (LUCCHINETTI et al., 2000). Auf Grund des je nach Virusstamm unterschiedlich hohen Anteils an direkt Virus-induzierten Oligodendrozytenuntergängen am Gesamtausmaß der Demyelinisierung (ZOECKLEIN et al., 2003) könnten jedoch auch den Gruppen III und IV der MS entsprechende Veränderungen vorliegen. Zukünftige Studien sollten bei der Klärung helfen, welchem Subtyp der MS die TME am ähnlichsten ist.
Ein Nachteil der viralen Modelle ist, dass es auf Grund einer persistierenden Virusinfektion bei immunsuppressiven Versuchsaufbauten zu einer fatalen Reaktivierung des Virus kommen kann (BURT et al., 1999). Diese Eigenschaft sollte jedoch vermehrt als Vorteil für die Sicherheitsabschätzung neuer Arzneimittel ausgenutzt werden, da auch bei MS-Patienten
immer damit gerechnet werden muss, dass persistierende bzw. latente Virusinfektionen vorliegen (YAO et al., 2008).
Die EAE stellt zur Zeit das wohl am häufigsten verwendete autoimmune Modell der MS dar.
So geht auch das zur Zeit allgemein akzeptierte Axiom, dass MS im Kern eine durch T-Zellen vermittelte Autoimmunreaktion gegen Myelinepitope ausgelöste primäre Demyelinisierung darstellt, auf die EAE zurück (PATERSON, 1960; TRAPP und NAVE, 2008).
Die Urform der EAE ist die durch die periphere Injektion von ZNS-Gewebe, Myelin oder aufgereinigten Myelinantigenen in Freund´s kompletten Adjuvans ausgelöste aktive Sensibilisierung (LASSMANN, 2004). In Abhängigkeit vom experimentellen Design können deutlich unterschiedliche Krankheitsbilder mit fehlender bis hochgradiger primärer Demyelinisierung und anfallsartigem oder chronisch progressivem Verlauf ausgelöst werden (LASSMANN, 2004). Potentielle Antigene, welche eine entzündliche, autoimmune T-Zell Antwort hervorrufen können, sind z.B. MBP (BEN-NUN et al., 1981), PLP (VAN DER VEEN et al., 1986), MOG (LININGTON et al., 1993), und S100ß (KOJIMA et al., 1994).
Bemerkenswert ist allerdings, dass MOG das einzige Protein ist, welches bei der Ratte auch eine Demyelinisierung hervorrufen kann (STORCH et al., 1998). Dies wird auf die besondere Bedeutung von Anti-MOG-Antikörpern für die Demyelinisierung bei dieser Spezies zurückgeführt. Im Gegensatz hierzu kann bei Mäusen auch in der Abwesenheit einer funktionellen B-Zell Antwort über TNFα-induzierte Mechanismen eine Demyelinisierung ausgelöst werden (HJELMSTROM et al., 1998).
Die grundlegenden Arbeiten von Paterson (1960) zeigten, dass es sich bei der EAE um eine zellvermittelte und duch Immunzellen passiv übertragbare Erkrankung handelt (PATERSON, 1960). Die gegen Myelinepitope gerichtete Immunantwort entspricht einer MHC-II-restringierten DTH-Reaktion und führt zu Entzündung der weißen Substanz des ZNS (ZAMVIL et al., 1985). Durch den alleinigen passiven Transfer von T-Zellen kann jedoch keine oder nur eine mäßige Demyelinisierung ausgelöst werden. Dass auch humorale Mechanismen eine Rolle in der Pathogenese demyelinisierender Erkrankungen spielen, wurde durch eine Kombination von passivem T-Zell-Transfer und Antikörperinjektionen gezeigt, die bei wiederholtem Transfer zu einer chronischen, progressiven, anfallsartigen Demyelinisierung führen (IGLESIAS et al., 2001; LININGTON et al., 1992).
Verglichen mit MS entsprechen die Läsionen bei der EAE in Abhängigkeit vom experimentellen Design entweder der Gruppe I oder II nach Lucchinetti et al. (2000)
(LUCCHINETTI et al., 2000). Ein großer Nachteil der EAE als Modell der MS besteht darin, dass es auf Grund der a priori bestehenden Autoimmunität gegen definierte Myelinbestandteile keine neuen Erkenntnisse bezüglich der Kernfrage liefern kann, wie es bei der MS zu der Entwicklung der Autoimmunreaktion gegen Myelinepitope kommen kann.
Bei den toxischen Demyelinisierungsmodellen kann man grundsätzlich die per orale Induktion mittels Cuprizone von lokal injizierten Substanzen wie Ethidiumbromid, Lysolecithin und Lipopolysaccharid unterscheiden (FELTS et al., 2005; MATSUSHIMA und MORELL, 2001; WOODRUFF und FRANKLIN, 1999). Die toxischen Modelle sind auf Grund ihrer klar umrissenen, stereotypen Pathogenese besonders dazu geeignet, sekundäre Phänomene wie die mikrogliale Abräumreaktion, Remyelinisierung und sekundäre Axonopathien zu untersuchen (BEDARD et al., 2007; LINDNER et al., 2008). Ihr Nachteil besteht darin, dass sie keine Untersuchungen bezüglich der Pathogenese der primären Demyelinisierung bei MS zulassen. Vom zeitlichen Ablauf her zeigen diese Modelle eine schnell einsetzende Demyelinisierung und in Abhängigkeit davon, ob es nur zu einer selektiven Schädigung der Oligodendrozyten oder auch der oligodendroglialen Vorläuferzellen kommt, eine schnelle bis langsame, meist vollständige Remyelinisierung. Auf Grund der mehr oder weniger selektiven Toxizität für Oligodendrozyten sollten die toxischen Modelle im Vergleich mit MS am ehesten den Gruppen III und IV nach Lucchinetti et al.
(2000) entsprechen (FELTS et al., 2005).
Die genetischen Modelle wie z.B. die „shiverer“ Maus (MBP „knock-out“-Mutante) oder die
„rumpshaker“-Maus (PLP „knock-out“-Mutante) spielen insgesamt nur eine begrenzte Rolle für die MS Forschung (EDGAR et al., 2004; ROUSSARIE et al., 2007). Auf Grund der klar definierten Gendefekte zeigen sie die Bedeutung des jeweiligen defekten Gens bzw. des von diesem kodierten Proteins für die Ausbildung und den Erhalt einer strukturell-normalen und funktionstüchtigen Myelinscheide. Über die jeweils durch den spezifischen Gendefekt implizierte sehr spezifische Fragestellung hinaus erlauben diese Modelle kaum weitere Aussagen bezüglich der Pathogenese der MS.
2.3 Oligodendroglia und Myelin
Der deutsche Pathologe Rudolf Virchow beschrieb im Jahre 1846 erstmalig strukturell und funktionell von den Neuronen abgrenzbare Zellen im Nervengewebe, die er als „Nervenkitt“
bezeichnete, woher sich die Bezeichnung „Glia“ vom griechischen Wort für Leim ableitet (VIRCHOW, 1846). Es war ebenfalls Virchow, der 1858 erstmals Umhüllungen von Nervenfasern beschrieb und den Begriff „Myelin“ einführte, welcher sich vom griechischen Wort myelòs = Mark herleitet (VIRCHOW, 1858). Eine eingehende morphologische Charakterisierung der glialen Zellen mittels metallischer Imprägnierungstechniken erfolgte zu Anfang des 19. Jahrhunderts durch Ramón y Cajal und Rio Hortega (BAUMANN und PHAM-DINH, 2001). Hierbei beschrieb Ramón y Cajal zuerst Astrozyten und ein „drittes Element“, welches von Rio Hortega wiederum in Mikroglia und Oligodendroglia eingeteilt wurde. Erst nach der Entwicklung der Elektronenmikroskopie gelang es Bunge et al. (1961), eindeutig nachzuweisen, dass sich die Fortsätze der oligodendroglialen Zellen nahtlos in die Myelinscheiden fortsetzen (BUNGE et al., 1961).
Im Gegensatz zu den myelinisierenden Zellen des peripheren Nervensystems, den Schwannschen Zellen, kann ein einzelner Oligodendrozyt an der Myelinscheidenbildung multipler Axone beteiligt sein. Die Anzahl variiert in Abhängigkeit von der Topographie und der Spezies von 1 bis 40 Axonen pro Oligodendrozyt (BAUMANN und PHAM-DINH, 2001). Die Myelinscheide dient der elektrischen Isolierung der Axone von Nervenfasern. Sie wird entlang der Axone in Abständen von ca 0,1-1 mm regelmäßig von den Ranvierschen Schnürringen unterbrochen. Nur an den Ranvierschen Schnürringen entstehen Aktionspotentiale, wodurch die schnelle saltatorische Erregungsleitung der behüllten Axone zustande kommt. Eine Demyelinisierung behindert die Weiterleitung der axonalen Aktionspotentiale. Für die chronische demyelinisierende TME konnte eindeutig eine im Krankheitsverlauf zunehmende Verzögerung der Reizleitungsgeschwindigkeit im Rückenmark nachgewiesen werden (MCGAVERN et al., 2000; RIVERA-QUINONES et al., 1998). Durch den Ausfall des hemmenden Einflusses der oberen motorischen Neuronen auf die segmentalen α– und γ-Motorneuronen des Rückenmarks kommt es zu einem Verlust der Koordinationsfähigkeit, Hyperreflexie und Spastizität mit einem gesteigerten Extensormuskeltonus in der Gliedmaßenmuskulatur. Weiterhin unterstützen die Myelinscheiden die Axone durch die Synthese von Wachstumsfaktoren und stellen eine schützende Hülle gegen schädigende Einflüsse dar. Die Myelinscheiden stellen die zellulären Fortsätze von Oligodendrozyten dar, welche die Axone der meisten Neuronen spiralförmig umgeben. Die Myelinscheide besteht aus ca. 10 bis 150 Lagen der Lipddoppelmembran (BAUMANN und PHAM-DINH, 2001). Das Zytoplasma ist im Bereich der kompakten Internodien weitgehen extrudiert und die Myelinscheide zeigt im ultrastrukturellen
Querschnitt ein charakteristisches, im Abstand von ca. 12 nm alternierendes Muster von dunklen, dicken „major dense lines“, welche an der Stelle des Zusammenschlusses der zytoplasmatischen Seite von zwei Doppelmembranen entstehen, und helleren, dünneren
„intraperiod lines“, die an der Stelle des Zusammenschlusses der extrazellulären Seite von zwei benachbarten Doppelmembranen entstehen. Die Dicke der Myelinscheide hängt in einem mehr oder weniger festen Verhältnis vom Kaliber der umhüllten Axons ab, welches häufig als sogenannte „g-ratio“ bestimmt wird (NAVE und TRAPP, 2008). Im Vergleich zu normalen Myelinscheiden zeigen remyelinisierte Myelinscheiden charakteristischerweise eine deutlich reduzierte Dicke, was quantitativ z.B. durch eine erhöhte „g-ratio“ darstellbar ist (LINDNER et al., 2008). Im Vergleich zu anderen Biomembranen weist Myelin einen besonders hohen Lipidgehalt (70% in der Trockenmasse), einen relativ geringen Proteinanteil (30% in der Trockenmasse) und einen geringen Wassergehalt (40%) auf. Daher erscheinen stark myelinisierte Regionen im ZNS auch weiß und werden als „weiße Substanz“ bezeichnet.
Die Lipidkomponente des Myelins besteht vor allem aus Cholesterol, Phospholipiden und Glykolipiden in einem molaren Verhältnis von 4:3:2 bis 4:4:2. Auf Grund des hohen Cholesterol- und Lipidgehaltes der Myelinscheiden können die Prozesse der postnatalen Myelinisierung sowie der experimentellen Demyelinisierung und Remyelinisierung gut durch die Messung einiger myelinspezifischer Komponenten wie z.B. dem Glykospingolipid Galaktosylceramid (GalC, Synonym: Cerebrosid) und Cholesterol bestimmt werden (JUREVICS et al., 2002; MUSE et al., 2001). Im Gegensatz dazu stellt die Synthese von Phospholipiden keinen geeigneten Marker für die Myelinisierung dar. Auch die Expression und Aktivität der an der Synthese von GalC und Cholesterol beteiligten Enzyme wie z.B Cerebrosid-Galaktosyltrasferase (CGT) und 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-Coenzym A (HMG- CoA)-Reduktase kann zur Charakterisierung der Myelinisierung verwendet werden (JUREVICS et al., 2002; MUSE et al., 2001). Versuche mit transgenen Mäuse mit einem oligodendrozytenspezifischen Verlust der Squalensynthetase (Farnesylpyrophosphat- Farnesyltransferase, FDFT1)-Expression zeigten, dass die Verfügbarkeit von Cholesterol einen limitierenden Faktor für die postnatale Myelinisierung darstellt (SAHER et al., 2005).
Die besondere Struktur der Myelinscheide wird durch spezifischen Proteine bestimmt. Das auf der zytoplasmatischen Seite der Biomembran gelegene basische Myelinprotein (MBP) stellt etwa 30 % des Gesamtmyelinproteins dar und ist an der Kompaktierung der Membranstapel beteiligt. Bei MBP „knock-out“-Mäusen fehlt deshalb die Ausbildung der typischen „major dense line“ im elektronenmikroskopishen Bild (PRIVAT et al., 1979). Das
MBP Gen besteht aus 7 Exons und wird bei Mäusen in 5 Isoformen exprimiert (14, 17, 17, 18,5, 21,5 kDa) (CAMPAGNONI et al., 1993; CAMPAGNONI et al., 1987), wobei bekannt ist, dass vor allem die Exon 2 enthaltenden 17 und 21,5 kDa-Isoformen zu Zeiten mit aktiver Myelinisierung oder Remyelinisierung vermehrt exprimiert werden (JORDAN et al., 1990;
NAGASATO et al., 1995). Auch beim Menschen wird die Expression spezifischer MBP- Isoformen (20,2, 21,5 kDa) im Zusammenhang mit der Remyelinisierung von Entmarkungsherden aufreguliert (CAPELLO et al., 1997). Das MBP-Gen ist Bestandteil einer größeren Transkriptionseinheit von 10 Exons, die als Golli-MBP-Gen bezeichnet wird (CAMPAGNONI et al., 1993). Multiple Transkripte dises Golli-MBP-Gens wurden nicht nur in oligodendroglialen Zellen sondern auch in Zellen des Immunsystems und Neuronen nachgewiesen. Die genaue funktionelle Bedeutung der Golli-MBP-Expression in den lymphatischen Organen ist unbekannt (KALWY et al., 1998). Möglicherweise spielt sie eine Rolle bei der negativen Selektion von potentiell autoreaktiven Lymphozyten.
Das Proteolipidprotein (PLP) stellt mit ca. 50 % des Gesamtmyelinproteins das häufigste Myelinprotein dar (BAUMANN und PHAM-DINH, 2001). Es ist ein Lipoprotein und besteht aus 4 transmenbranösen α-Helices, zwei extrazellulären und drei zytoplasmatischen Domänen. Spontane PLP-Mangelmutanten wie auch transgene „knock-out“-Mäuse haben zwar noch Oligodendrozyten und kompaktes Myelin, dieses weist aber ultrastrukturelle Defekte im Bereich der „intraperiod line“ auf (GRIFFITHS et al., 1990). Es wird vermutet, dass dem PLP eine stabilisierende Funktion zwischen den verschiedenen Membranstapeln zukommt, ähnlich wie ein Reißverschluß (KLUGMANN et al., 1997). Auf Grund des PLP- Verlustes kommt es zu axonalen Degenerationen und neurologischen Ausfällen (GRIFFITHS et al., 1998). Eine als DM20 bezeichnete spezifische Isoform des PLP, wird bereits in frühen Phasen der Myelinisierung exprimiert.
Eine weitere Gruppe quantitativ weniger bedeutender Proteine, denen ihre Unlöslichkeit in einem Chloroform-Methanol-Gemisch gemeinsam ist, sind die nach ihrem Erstbeschreiber benannten Wolfgram-Proteine, zu denen unter anderem die zyklische Nukleotid- Phosphodiesterase (CNPase) gehört (WOLFGRAM, 1966). Die CNPase stellt etwa 4% des Gesamtmyelinproteins dar. Im Gegensatz zu MBP und PLP ist sie nicht in den kompakten Membranstapeln der reifen Myelinscheiden lokalisiert, sondern findet sich vor allem in den paranodalen und periaxonalen Bereichen (TRAPP et al., 1988). Die eigentliche Funktion der CNPase ist weitgehend unbekannt und ihr Fehlen führt auch zu keinen ultrastrukturellen Veränderungen des Myelins. Wie mit CNPase „knock-out“-Mäusen gezeigt wurde, scheint
die CNPase Expression aber eine überlebenswichtige Funktion für die myelinisierten Axone auszuüben (LAPPE-SIEFKE et al., 2003).
Weiterhin sind mehrere Glykoproteine an der Bildung der Myelinscheiden beteiligt, von denen das myelinassoziierte Glykoprotein (MAG) und das Myelin-Oligodendrozyten- Glykoprotein (MOG) am besten charakterisiert sind (BAUMANN und PHAM-DINH, 2001).
MAG ist ein Transmembranprotein, welches in den zwei Isoformen L(„large“)-MAG mit 72 kDa und S(„small“)-MAG mit 67 kDa vorkommt. Es findet sich ausschließlich in der periaxonalen Membran und nicht im kompakten Teil der Myelinscheide (STERNBERGER et al., 1979). Hier fungiert es als Rezeptor für neuronale Oberflächenmoleküle. Vermutlich signalisiert MAG nach Herstellung des glio-axonalen Kontaktes durch die Aktivierung der Fyn-Tyrosinkinase die Aktivierung und Regulation der Myelinisierung (OSTERHOUT et al., 1999; UMEMORI et al., 1994).
MOG ist ein Transmembranprotein, welches vor allem auf der Zelloberfläche von myelinisierenden Oligodendrozyten sowie auf der äußersten Lamelle der Myelinscheide nachweisbar ist (BRUNNER et al., 1989). Die Expression von MOG ist auf bereits myelinisierte Oligodendrozyten beschränkt und seine Reexpression korreliert in Demyelinisierungsstudien besonders gut mit dem Wiedererscheinen von ultrastrukturell nachweisbaren, kompakten, remyelinisierten Myelinscheiden (LINDNER et al., 2008).
Obwohl MOG nur einen sehr geringen Teil des Gesamtmyelinproteins ausmacht, stellt es vermutlich einen wichtigen Angriffspunkt im Rahmen von Autoimmunreaktionen dar. Es ist das einzige Myelinprotein, welches bei Ratten nach aktiver Sensibilisierung eine Entzündungsreaktion einschließlich Demyelinisierung hervorruft (STORCH et al., 1998). Da auch eine zusätzlich zum passiven Transfer von gegen andere Myelinepitope gerichteten T- Zellen durchgeführte Injektion von Anti-MOG-Antikörpern in der Lage ist, eine Demyelinisierung hervorzurufen, wird vermutet, dass vor allem eine humorale Reaktion gegen MOG an der Ausbildung der Demyelinisierung beteiligt ist (IGLESIAS et al., 2001;
LININGTON et al., 1992).
Oligodendrozyten sind neuroektodermaler Herkunft und entstehen sowohl embryonal als auch im adulten zentralen Nervensystem durch die Proliferation und Differenzierung teils pluripotenter früher, als auch monopotenter später Vorläuferzellen (LIU und RAO, 2004). Die Entscheidung, in welche Richtung sich die neuroektodermalen Vorläuferzellen differenzieren, wird im Verlauf der Embryogenese ganz entscheidend durch zeitliche und topographische
Einflussfaktoren determiniert (LEVISON und GOLDMAN, 1993; LUSKIN et al., 1988). In einer ersten Differenzierungswelle entstehen im Gehirn von Säugetieren während der ersten Hälfte der Trächtigkeit sämtliche kortikale Neurone und etwa zeitgleich als Stützgerüst die Radialglia, aus der sich im weiteren Verlauf die Astrozyten entwickeln. In einer zweiten Welle, die tierartspezifisch im perinatalen Zeitraum beginnt, differenzieren sich die Oligodendrozyten. Ihre Differenzierung und nachfolgend die Myelinisierung setzt erst ein, nachdem der größte Teil der Neuronen gebildet und die Axone die Verbindung zum Zielort hergestellt haben. Die Myelinisierung beginnt im Rückenmark, gefolgt von Hirnstamm, Kleinhirn und Großhirn (BANIK und SMITH, 1977; ULRICH et al., 2005). Die physiologische Myelinisierung beginnt bei Mäusen um den Geburtstermin herum, die ersten kompakten Myelinscheiden sind etwa 10 Tage post natum nachweisbar und die initiale Myelinisierung ist etwa am 30 Tag post natum abgeschlossen (CARSON et al., 1983;
ULRICH et al., 2005).
Die frühesten bekannten pluripotenten glialen „precursor“-Zellen sind monopolar, besitzen Proliferationskapazität und exprimieren unter anderem die polysialylierte Form des neuronalen Zelladhäsionsmoleküls (PSA-NCAM).
Diese „precursor“-Zellen entwickeln sich weiter zu einer ebenfalls proliferierenden, bipolaren und hochmotilen oligodendroglialen Vorläuferzelle („olgodendroglial progenitor cell“, OPC). Diese OPCs können in vivo anhand ihrer Nerv / Glia-Antigen 2 (NG2) und „platelet derived growth factor α”-Rezeptor (PDGFα-R)-Expression nachgewiesen werden (DAWSON et al., 2000; HORNER et al., 2002; LIU und RAO, 2004). OPCs stellen im ZNS adulter Säugetiere eine ubiquitär vorkommende und ständig proliferierende Zellpopulation dar. Bei adulten Ratten exprimieren in der weißen Substanz etwa 8-9 % aller Zellen und in der grauen Substanz etwa 2-3 % aller Zellen NG2 (DAWSON et al., 2003). OPCs sind zumindest in vitro bipotent und können in Abhängigkeit von den Kulturbedingugen in astrozytäre (Typ 2- Astrozyt) oder oligodendrogliale Richtung differenzieren (LEVINE et al., 1993;
PRINGPROA et al., 2008). Ob eine astrozytäre Differenzierung der OPCs auch in vivo vorkommt ist bis heute umstritten. Im Verlauf der Differenzierung der OPCs zu reifen myelinisierenden Oligodendrozyten verlieren die OPCs die Expression von NG2 und PDGFα- R und beginnen in einer festgelegten Reihenfolge spezifische antigenetische Marker zu exprimieren (Tabelle 1-3).
Tabelle 1-3: Entwicklungsstufenspezifische Marker für oligodendrogliale Zellen Entwicklungsstufe Marker Pluripotente neurogliale Vorläufer PSA-NCAM, Nestin, PDGFα-R Oligodendrogliale Vorläuferzelle PDGFα-R, NG2
Prä-Oligodendrozyt NG2, O4
Unreifer Oligodendrozyt O4, O1, GalC, CNPase, DM20 Reifer nicht-myelinisierender
Oligodendrozyt
O4, O1, GalC, CNPase, DM20, MBP, PLP, MAG
Reifer myelinisierender Oligodendrozyt O4, O1, GalC, CNPase, DM20, MBP, PLP, MAG, MOG
CNPase = zyklische Nukleotid-Phosphodiesterase; DM20 = Isoform des Proteolipidproteins;
GalC = Galaktosylceramid; MAG = Myelin-assoziiertes Glykoprotein; MBP = basisches Myelinprotein; MOG = Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein; NG2 = Nerv / Glia-Antigen 2; PDGFα-R = „platelet derived growth factor α”-Rezeptor; PLP = Proteolipidprotein; PSA- NCAM = polysialylierte Form des neuronalen Zelladhäsionsmoleküls.
Als nächstes entsteht ein multipolares als Prä-Oligodendrozyt bezeichnetes Stadium, das noch proliferativ aber nicht mehr migratorisch aktiv ist. Prä-Oligodendrozyten können immer noch NG2 exprimieren und sind darüber hinaus mit einem monoklonalen Antikörper, welcher das sulfatierte Zelloberflächen-Antigen O4 erkennt, nachweisbar (BACK et al., 2001;
REYNOLDS und HARDY, 1997; WARRINGTON und PFEIFFER, 1992).
Das sich nun entwickelnde Stadium unnreifer Oligodendrozyten ist wiederum NG2-negativ und exprimiert sowohl O4, O1 als auch CNPase (BACK et al., 2001; STANGEL und HARTUNG, 2002; WARRINGTON und PFEIFFER, 1992). Die drei zuletzt beschriebenen Stadien der OPCs, Prä-Oligodendrozyten und unreifen Oligodendrozyten werden teilweise zusammenfassend als O-2A-„progenitor“ bezeichnet, unterscheiden sich aber in ihrer Proliferations- und Migrationsfähigkeit und auch in ihrer Reaktionsfähigkeit auf äußere Einflüsse (BAUMANN und PHAM-DINH, 2001; GARD und PFEIFFER, 1993; TRAPP et al., 1997).
Reife nicht-myelinisierende Oligodendrozyten sind postmitotische Zellen mit zahlreichen baumartig-verzweigten Zellfortsätzen, die im Vergleich zu unreifen Oligodendrozyten durch
die zusätzliche Expression zahlreicher Myelinbestandteile wie MBP, PLP und MAG gekennzeichnet sind (LINDNER et al., 2008; STANGEL und HARTUNG, 2002;
STERNBERGER et al., 1978).
Vollständig ausgereifte myelinisierende Oligodendrozyten, die für die Bildung und Erhaltung der Myelinscheiden im ZNS verantwortlich sind, lassen sich durch die gleichen Marker nachweisen wie die noch nicht myelinisierenden Oligodendrozyten. Darüber hinaus lässt sich zusätzlich das Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein (MOG) detektieren (LINDNER et al., 2008).
Die Signalkaskaden und Transkriptionsfaktoren, welche die oligodendrogliale Differenzierung pluripotenter neuroglialer Vorläuferzellen vermitteln, sind noch nicht vollständig aufgeklärt. Insbesondere das Signalprotein „sonic hedgehog“ (Shh), welches unter anderem die dorsoventrale Organisation des sich entwickelnden Neuralrohres steuert, begünstigt die Oligodendrogliogenese (BAUMANN und PHAM-DINH, 2001). Die Wirkung von Shh wird vor allem über eine Aufregulation der basischen „helix-loop-helix“- Transkriptionsfaktoren Olig1 und Olig2 vermittelt (ARNETT et al., 2004; LU et al., 2000;
ZHOU et al., 2000). Weitere Wachstumsfaktoren, Hormone und Zytokine, die zumindest in vitro einen Einfluss auf die Proliferation und Differenzierung oligodendroglialer Zellen ausüben, sind in Tabelle 1-4 dargestellt.
Sowohl die Proliferation von OPCs als auch die Differenzierung zu reifen myelinisierenden Oligodendrozyten wird weiterhin auch durch das Vorhandensein von elektrisch aktiven Axonen gesteuert (BARRES und RAFF, 1993; DEMERENS et al., 1996; KIDD et al., 1990;
TRAPP et al., 1997). Die Versuche von Burne et al. (1996) zeigen, dass die Anzahl von Axonen und Gliazellen miteinander verkoppelt ist (BURNE et al., 1996).
Tabelle 1-4: Einfluß von verschiedenen Wachstumsfaktoren, Hormonen und Zytokinen auf oligodendrogliale Vorläuferzellen (nach: BAUMANN und PHAM-DINH, 2001 und STANGEL und HARTUNG, 2002).
Wachstumsfaktor / Hormon / Zytokin Effekt auf oligodendrogliale Vorläuferzellen
PDGFα Proliferation, Migration, Überleben
FGF-1 Proliferation, Überleben
FGF-2 Proliferation, Überleben
IGF-1 Proliferation, Differenzierung, Überleben
NT-3 Proliferation, Überleben
GGF Proliferation, Überleben
EGF Differenzierung
CNTF Proliferation, Überleben
BDNF Proliferation, Differenzierung
IL-2 Proliferation IL-6 Überleben
TGFß1 Differenzierung, Inhibiert Proliferation
LIF Überleben
PSA-NCAM Inhibiert Differenzierung
Schilddrüsenhormon (T3) Differenzierung
Wachstumshormon Proliferation, Differenzierung
BDNF = „bone derived neurotrophic factor“; CNTF = „ciliary neurotrophic factor“; EGF = Epidermaler Wachstumsfaktor; FGF = Fibroblasten-Wachstumsfaktor; GGF = Glialer Wachstumsfaktor; IGF = Insulinartiger Wachstumsfaktor; IL = Interleukin; LIF = „leukemia inhibitory factor“; NT-3 = Neurotrophin 3; PDGFα = „platelet derived growth factor α”; PSA- NCAM = polysialylierte Form des neuronalen Zelladhäsionsmoleküls; TGF = Transformierender Wachstumsfaktor.
2.4 Oligodendrogliale Zellen bei demyelinisierenden Erkrankungen von Mensch und Maus
Das gemeinsame Merkmal aller Subtypen der MS ist eine primäre Schädigung der Myelinscheiden bei zunächst erhaltenen Axonen (LASSMANN, 2005; REYNOLDS et al., 2002). Die Anzahl oligodendroglialer Zellen in den Plaques ist stark variabel und reicht von einem nahezu totalen Verlust bis hin zu einer deutlichen Zunahme (LUCCHINETTI et al., 1999; WOLSWIJK, 2000). In einer Studie von Lucchinetti et al. (1999) war in 70% aller Fälle nur in den Zonen mit aktiver Demyelinisierung eine reduzierte Zahl von Oligodendrozyten nachweisbar, nicht aber in den älteren, überwiegend remyelinisierten Läsionen. In den anderen 30% der Fälle wurde ein massiver Verlust von Oligodendrozyten und keine Remyelinisierung beobachtet (LUCCHINETTI et al., 1999). In aktiven Plaques, die in der Frühphase der MS entstehen, wird häufig eine umfangreiche Remyelinisierung beobachtet (PATRIKIOS et al., 2006). Eine histologische Untersuchung zeigt in einer Gruppe von etwa 20% aller MS-Patienten, in der neben Fällen mit anfallsartiger MS auch solche mit progressiver MS vertreten waren, eine sehr starke Remyelinisierung (PATRIKIOS et al., 2006). Im allgemeinen wird jedoch gezeigt, dass vor allem bei chronisch progressiver MS häufig nur eine unzureichende Remyelinisierung vorzufinden ist (LASSMANN et al., 1997;
LUCCHINETTI et al., 1999; LUDWIN, 1994; RAINE und CROSS, 1989; SUZUKI et al., 1969). Die demyelinisierten Axone in diesen chronischen Läsionen unterliegen einer sekundären Degeneration, vermutlich auf Grund des Fehlens von oligodendroglialen Wachstumsfaktoren und Schutzmechanismen (DE STEFANO et al., 1998; DUTTA et al., 2006; LAPPE-SIEFKE et al., 2003; TRAPP und NAVE, 2008). Demyelinisierung und Remyelinisierung können gleichzeitig im ZNS eines Patienten nachgewiesen werden und Rodriguez (2007) vermutet, dass letztendlich die Balance zwischen diesen Vorgängen über den Fortgang der Erkrankung entscheidet (RODRIGUEZ, 2007). Zahreiche Untersuchungen weisen OPCs sowie Prä-Oligodendrozyten in den demyelinisierten Herden von MS-Patienten nach. Die Anzahl intraläsionaler NG2 und PDGFα-R-positiver OPCs oder O4-positver / GalC-negativer Prä-Oligodendrozyten schwankt hierbei sehr stark und ist im Vergleich zur normal erscheinenden weißen Substanz eher reduziert (CHANG et al., 2000; REYNOLDS et al., 2002; SCOLDING et al., 1998; WOLSWIJK, 1998; WOLSWIJK, 2000; WOLSWIJK, 2002). Es wird vermutet, dass eine ungenügende Proliferation und / oder Differenzierung
dieser Vorläuferzellen die Ursache der häufig ungenügenden Remyelinisierung darstellt (FRANKLIN, 2002b; WOLSWIJK, 1998).
Im Gegensatz zu MS und TME wird in den meisten experimentellen Modellen der MS in Labornagern eine schnelle und spontane Remyelinisierung beobachtet (DI BELLO et al., 1999; GODFRAIND et al., 1989; LINDNER et al., 2008; WOODRUFF und FRANKLIN, 1999). Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass eine Remyelinisierung in Folge der Proliferation und Differenzierung von OPCs entsteht, wohingegen überlebende Oligodendrozyten keine Rolle spielen (FRANKLIN, 2002b; GENSERT und GOLDMAN, 1997).
Bei mit den häufig verwendeten TMEV-Stämmen DA und BeAn infizierten SJL/J-Mäusen beginnt die demyelinisierende Meningoleukomyelitis etwa 2 bis 6 Wochen pi. Die Demyelinisierung nimmt progressiv zu und erreicht ihre maximale Ausdehnung ca. 3 Monate pi (MCGAVERN et al., 1999a; TROTTIER et al., 2004; TSUNODA et al., 1996; ULRICH et al., 2006; ZOECKLEIN et al., 2003). Im Folgenden kommt es nur zu einer geringgradigen und unvollständigen Remyelinisierung (DALCANTO und LIPTON, 1975; MCGAVERN et al., 1999a). Bei mit dem DA-Stamm infizierten SJL/J-Mäusen beobachteten McGavern et al.
(1999) ca. 180 Tage nach der Infektion eine Läsionsfläche von 11,7 +/- 2,1% der weißen Substanz, von der 8,0 +/- 2,7% remyelinisiert waren (MCGAVERN et al., 1999a). Die besondere Bedeutung des Erreger-Wirts-Gleichgewichts bei der TME zeigen Versuche mit dem Zellkultur-adaptierten WW-Stamm in CD-1 Mäusen, bei denen es zu einem remittierenden klinischen Verlauf und einer kompletten Remyelinisierung 2 Monate pi kommt (DALCANTO und BARBANO, 1984; DALCANTO und LIPTON, 1980). Zu Beginn der hier vorgestellten Studien existierten keine Veröffentlichungen bezüglich OPCs bei der TME unter Verwendung allgemein akzeptierter spezifischer Marker wie NG2 oder PDGFα-R. Allerdings vermuteten Prayoonwiwat und Rodriguez (1993) auf Grund einer erhöhten Anzahl von mittels Aufnahme von Tritium-markiertem Thymidin markierten intraläsionalen Oligodendrozyten, dass es bei der TME zu einer Proliferation von glialen Vorläuferzellen kommt (PRAYOONWIWAT und RODRIGUEZ, 1993).
Eine Woche nach der Infektion von C57/Bl6 Mäusen mit dem A49-Stamm des MHV wurde eine deutliche Zunahme von Prä-Oligodendrozyten in den aktiv demyelinisierenden Läsionen beobachtet. Die Demyelinisierung erreicht etwa 4 Wochen pi ihren Höhepunkt und 5 Monate pi ist eine vollständige Remyelinisierung beobachtbar und die Anzahl intraläsionaler Prä-
Oligodendrozyten liegt wieder auf dem Niveau der Kontrolltiere (GODFRAIND et al., 1989;
REDWINE und ARMSTRONG, 1998a).
Bei einer monophasischen, akuten EAE, ausgelöst durch den Transfer von gegen das MBP gerichteten T-Zellen in Verbindung mit einer Injektion von Anti-MOG-Antikörpern, kommt es innerhalb von 5-6 Tagen zu einer starken entzündlichen Demyelinisierung und einer ~1,8 bis 2,8-fach erhöhten Zahl an intraläsionalen OPCs. Bereits nach 2–3 Wochen ist lichtmikroskopisch eine vollständige Remyelinisierung zu beobachten (DI BELLO et al., 1999). Durch ein alternatives Versuchsdesign mit multiplen Injektionen von autoreaktiven T- Zellen und Anti-MOG-Antikörpern ist es möglich, einen polyphasischen, anfallsartigen Verlauf zu erzeugen, bei dem es zu einer nur geringen, fokalen Vermehrung von OPCs und einer chronischen Demyelinisierung mit ungenügender Remyelinisierung kommt (LININGTON et al., 1992; REYNOLDS et al., 2002).
Bei mit Cuprizone-induzierter Entmarkung wird noch innerhalb der 6-wöchigen Toxin- Fütterungsphase, 3 Wochen nach deren Beginn und 1 Woche vor dem Maximalpunkt der Demyelinisierung im Corpus callosum eine ~8,0-fach erhöhte Zahl an OPCs in den Läsionen beobachtet (MASON et al., 2000). Spätestens nach einer 6-wöchigen Erholungsphase liegt eine vollständige Remyelinisierung vor (LINDNER et al., 2008; MASON et al., 2000). Mit einem alternativen Versuchsdesign mit verlängerter Cuprizone-Verfütterung ist es auch in diesem Modell möglich, eine effiziente Remyelinisierung zu verhindern (MASON et al., 2004b). In den chronisch demyelinisierten Läsionen kommt es zu einem Verlust der OPCs (MASON et al., 2004b). Es wurde gezeigt, dass diese chronisch demyelinisierten Läsionen nach Aussetzen der Cuprizone-Fütterung durch die Transplantation von Prä- Oligodendrozyten wieder remyelinisiert werden können (MASON et al., 2004a). In einem weiteren Experiment wurde gezeigt, dass eine zweite Welle einer Cuprizone-induzierten Entmarkung vollständig remyelinisiert werden kann, wenn zwischenzeitlich genügend Zeit für eine Regeneration zur Verfügung stand (JOHNSON und LUDWIN, 1981).
Zwei Tage nach der Injektion von Ethidiumbromid in den caudalen Kleinhirnstiel sind alle intraläsionalen Zellen inklusive Oligodendrozyten, OPCs und Astrozyten nekrotisch (SIM et al., 2002; WOODRUFF und FRANKLIN, 1999). Im Anschluss kommt es bei jungen Mäusen innerhalb von 5 Tagen durch die Einwanderung von OPCs aus dem periläsionalen ZNS zu einer maximal 2-3-fach erhöhten Anzahl an OPCs und nach 4 Wochen zu einer vollständigen Remyelinisierung. Weitere Experimente haben gezeigt, dass es bei alten Mäusen zu einer drastischen Verzögerung der Remyelinisierung kommt (SHIELDS et al., 1999; SIM et al.,
2002). Diese Verzögerung wird durch eine reduzierte Fähigkeit der Makrophagen zur Phagozytose der Myelintrümmern ausgelöst (FRANKLIN und KOTTER, 2008; KOTTER et al., 2006).
3 Hypothesen und Ziele
Bei der Auswertung vorausgegangener Untersuchungen über die Rolle von Matrix- Metalloproteinasen und deren Inhibitoren bei der TME (ULRICH, 2006; ULRICH et al., 2006; ULRICH et al., 2005) fiel auf, dass es bei einem systematischen Vergleich der verschiedenen experimentellen Modelle der MS deutliche Unterschiede im Verlauf der Demyelinisierung und Remyelinisierung gibt. Mehrere Arbeiten bei chronisch progressiver MS und verschiedenen experimentellen Modellen deuten darauf hin, dass vor allem eine ungenügende Differenzierung der OPCs zu einer unvollständigen Remyelinisierung führt (BLAKEMORE und IRVINE, 2008; FRANKLIN und KOTTER, 2008; WOLSWIJK, 2002).
Mögliche Ursachen einer Fehlsteuerung der oligodendroglialen Differenzierung bei demyelinisierenden Erkrankungen werden in der Literatur kontrovers diskutiert (BLAKEMORE und IRVINE, 2008; FRANKLIN und KOTTER, 2008; FRANKLIN, 2002a;
JOHN et al., 2002; KOTTER et al., 2006; MASON et al., 2004b; MI et al., 2005;
STIDWORTHY et al., 2004).
Deshalb wurde die Hypothese aufgestellt, dass es bei der TME in Folge einer Störung der Proliferation und / oder Differenzierung der OPCs zu einer unvollständigen Remyelinisierung und einer damit einhergehenden chronischen Demyelinisierung kommt.
Zu Beginn der hier vorgestellten Studien existierten keine Veröffentlichungen bezüglich der Rolle der OPCs bei der TME unter Verwendung allgemein akzeptierter, spezifischer Marker wie NG2 oder PDGFα-R. Deshalb war es das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit, die Rolle der OPCs im Verlauf der TME mittels licht- und elektronenmikroskopischer, immunhistologischer, immunfluoreszenzmikroskopischer und molekularbiologischer Untersuchungen genauer zu charakterisieren.
Basierend auf den Ergebnissen des ersten Teils war es das Ziel der zweiten Untersuchungsreihe dieser Arbeit, mit einem auf der Technik der Mikroarray- Genexpressionsanalyse beruhenden primär hypothesenfreien Ansatz nach grundlegenden Signal- und Stoffwechselwegen zu suchen, die an der Entwicklung der chronisch progressiven Demyelinisierung und der Inhibierung der oligodendroglialen Remyelinisierung bei der TME beteiligt sind.
4 Limited remyelination in Theiler’s murine encephalomyelitis due to insufficient oligodendroglial differentiation of
nerve/glial antigen 2 (NG2)-positive putative oligodendroglial progenitor cells
Reiner Ulrich1, Frank Seeliger2, Mihaela Kreutzer1, Paul-Georg Germann2, Wolfgang Baumgärtner1
1Department of Pathology, University of Veterinary Medicine Hannover, Bünteweg 17, D- 30559 Hannover, Germany
2Institute for Preclinical Safety, Nycomed AG, Haidkrugsweg 1, D-22885 Barsbüttel, Germany
Published in:
Neuropathology Applied Neurobiology
2008, online-first, doi: 10.1111/j.1365-2990.2008.00956.x
Corresponding author: Dr. Reiner Ulrich, Department of Pathology, University of Veterinary Medicine Hannover, Bünteweg 17, D-30559 Hannover, Germany, Phone: +49- (0)511-953-8683, Fax: +49-(0)511-953-8675, E-mail: reiner.ulrich@tiho-hannover.de
4.1 Abstract
Aims: Limited remyelination is a key feature of demyelinating Theiler's murine encephalomyelitis (TME). It is hypothesized that a dysregulation of differentiation of oligodendroglial progenitor cells (OPCs) represents the main cause of insufficient regeneration in this model of multiple sclerosis.
Methods: TME-virus (TMEV)-infected SJL/J mice were evaluated by footprint analysis, light and electron microscopy, immunohistology, confocal immunofluorescence, and RT- qPCR at multiple time points ranging from 1 hour to 196 days post infection (dpi).
Results: Footprint analysis revealed a significantly decreased stride length at 147 and 196 dpi. Demyelination progressively increased from 14 towards 196 dpi. A mild amount of remyelination was detected at 147 and 196 dpi. Early-onset axonal injury was detected from 14 dpi on. TMEV RNA was detectable throughout the observation period and markedly increased between 7 and 28 dpi. Intralesional NG2-positive OPCs were temporarily increased between 28 and 98 dpi. Similarly, a transient upregulation of NG2 and PDGFα-R mRNA was noticed. In contrast, intralesional CNPase-positive oligodendrocytes were decreased between 56 and 196 dpi. Though CNPase mRNA remained unchanged, MBP mRNA and especially its exon 2 containing splice variants were decreased. GFAP-positive astrocytes and GFAP mRNA were increased in the late phase of TME. A mildly increased colocalization of both NG2/CNPase and NG2/GFAP was revealed at 196 dpi.
Conclusions: Summarized, the present results indicated a dysregulation of OPC maturation as the main cause for the delayed and limited remyelination in TME. A shift of OPC differentiation from oligodendroglial towards astrocytic differentiation is postulated.
Key words: Astrogliosis; demyelination; NG2; oligodendroglial progenitor cells;
remyelination; Theiler’s murine encephalomyelitis
Abbreviations: CNPase = 2´,3´- cyclic nucleotide 3´-phosphodiesterase; EAE = experimental autoimmune encephalomyelitis; GFAP = glial fibrillary acidic protein; LFB-CV = Luxol fast blue-Cresyl violet; MBP = myelin basic protein; MHV = murine hepatitis virus; MS = multiple sclerosis; NAWM = normal appearing white matter; NG2 = nerve/glial antigen 2;
non-pNF = nonphosphorylated neurofilament; OG = oligodendrocyte; OPC = oligodendroglial progenitor cell; PDGFα-R = platelet derived growth factor α-receptor; pi = post infection; SEM = standard error of mean; TME = Theiler's murine encephalomyelitis;
TMEV = Theiler’s murine encephalomyelitis virus.
4.2 Introduction
Infection of susceptible strains of mice with Theiler’s murine encephalomyelitis virus (TMEV) results in a demyelinating lymphohistiocytic meningoleukomyelitis, displaying many clinical and pathological similarities to the chronic progressive form of multiple sclerosis [1-5]. After infection of susceptible SJL/J-mice with the DA- or BeAn-strain of TMEV, demyelination starts between 2 and 6 weeks post infection (pi), progressively increasing and reaching its maximal extension around 3 months pi [1, 6-8]. A variable and generally limited remyelination of the oligodendrocyte (OG)-type can be found in DA- infected mice 3 months pi [6, 7, 9]. The important role of the virus-host balance for the degree of remyelination in Theiler`s murine encephalomyelitis (TME) was demonstrated in CD1- mice infected with the cell culture adapted WW-strain of TMEV. In this model, a remitting disease course with prominent Schwann cell-type remyelination was observed 2 months pi [10, 11]. Additionally, several studies showed that various humoral and cellular factors are pivotal for successful remyelination in TME [12-16].
The common hallmark of multiple sclerosis (MS) pathology is the demyelinated plaque with at least partial axonal preservation [17]. Two major groups of OG pathology, defined by the intralesional absence or presence of these cells can be distinguished. In 30% of MS cases, extensive destruction of OGs was observed, whereas in the remaining 70%, OG numbers were only reduced in areas of active myelin destruction. However, they reappeared in remyelinated areas [18]. Pathohistological examination revealed that in a subset of approximately 20% of all MS patients remyelination is extensive and plaques with prominent remyelination, termed shadow plaques, can be encountered frequently [19]. However, in many MS patients, in particular those with a progressive clinical course, remyelination is sparse or absent [18, 20]. The demyelinated axons in these chronic lesions remain extremely vulnerable to secondary progressive axonal degeneration and atrophy [21, 22].
Most toxic and immune-mediated models of MS display rapid and sufficient spontaneous remyelination [23-31]. Several studies showed that the proliferation and differentiation of oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) is a prerequisite for remyelination and functional recovery, whereas surviving OGs are relatively quiescent and do not participate in remyelination [24, 32]. In adult rodents, OPCs and pre-OGs can be detected, based on their expression of NG2 and PDGFα-R. Upon differentiation to myelinated OGs these OPCs / pre-
