Verlag: Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft Service GmbH 35392 Gießen · Friedrichstraße 17 · Tel. 0641 / 24466 · Fax: 0641 / 25375
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Dr . Frauke Seehusen Hannover
Vergleichende Untersuchungen über die Pathogenese von Axonschäden
und Remyelinisierung bei Enzephalitiden sowie genetischen Defekten des zentralen Nervensystems
Dr. Frauke Seehusen
HABILITATIONSSCHRIFT zur Erlangung der Venia legendi
an der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover
ISBN 978-3-86345-376-3
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
Detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.
1. Auflage 2017
© 2017 by Verlag: Deutsche Veterinärmedizinische Gesellschaft Service GmbH, Gießen
Printed in Germany
ISBN 978-3-86345-376-3
Verlag: DVG Service GmbH Friedrichstraße 17
35392 Gießen 0641/24466 info@dvg.de www.dvg.de
Aus dem Institut für Pathologie
der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover
Vergleichende Untersuchungen über die Pathogenese von Axonschäden und Remyelinisierung bei Enzephalitiden sowie
genetischen Defekten des zentralen Nervensystems
HABILITATIONSSCHRIFT zur Erlangung der Venia legendi
an der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover
vorgelegt von Dr. Frauke Seehusen
Hannover 2016
Tag der nichtöffentlichen wissenschaftlichen Aussprache: 04.05.2017
Die Anfertigung dieser Arbeit wurde durch Sachbeihilfen der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des Niedersachsen-Research Network on Neuroinfectiology (N-RENNT) des Niedersächsischen Ministeriums für Wissenschaft und Kultur gefördert. Eine vollständige Auflistung der Sachbeihilfen findet sich in den Danksagungen der einzelnen Publikationen.
Diese Arbeit wurde zudem durch das Ursula-Weigt-Programm (Habilitationsabschluss-Programm für Wissenschaftlerinnen) unterstützt.
Meinen Eltern
I I NHALTSVERZEICHNIS
I INHALTSVERZEICHNIS ... I
II ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ... III
III ABBILDUNGSVERZEICHNIS ... VII
IV EINGESCHLOSSENE EIGENE PUBLIKATIONEN ... IX
1 VORWORT ... 1
2 EINLEITUNG ... 3
2.1 DAS AXONALE ZYTOSKELETT UND AXONALE TRANSPORTPROZESSE ... 3
2.2 AXONOPATHIEN BEI ERKRANKUNGEN DES ZENTRALEN NERVENSYSTEMS ... 7
2.3 INHIBITION DES AXONALEN WACHSTUMS ... 11
2.4 AXONALE REGENERATION ... 15
2.5 DER P75-NEUROTROPHIN-REZEPTOR (P75NTR) ... 18
2.5.1 p75NTR-Expression in Schwann-Zellen ... 19
2.5.2 Schwann-Zellen und Remyelinisierung im zentralen Nervensystem ... 23
2.6 ENTZÜNDLICHE UND DEGENERATIVE ZNS-ERKRANKUNGEN BEIM HUND ... 28
2.6.1 Kanine Staupeenzephalitis ... 28
2.6.2 Granulomatöse Meningoenzephalitis (GME) ... 31
2.6.3 Neuroaxonale Dystrophie (NAD) ... 32
2.7 ENTZÜNDLICHE UND DEGENERATIVE ZNS-ERKRANKUNGEN BEI DER MAUS ... 35
2.7.1 Theiler‘sche murine Enzephalomyelitis (TME)... 35
2.7.2 Dystonin-defiziente Mäuse ... 39
3 KONZEPT UND ZIELE ... 41
4 ERGEBNISSE UND DISKUSSION ... 43
4.1 CHARAKTERISIERUNG VON AXONSCHÄDEN UND MÖGLICHEN PATHOMECHANISMEN SOWIE BESCHREIBUNG AXONPROTEKTIVER FAKTOREN BEI DER STAUPEVIRUS-INDUZIERTEN DEMYELINISIERENDEN LEUKOENZEPHALITIS ... 43
4.2 CHARAKTERISIERUNG DER EXTRAZELLULÄREN MATRIX BEI DER STAUPEVIRUS-INDUZIERTEN DEMYELINISIERENDEN LEUKOENZEPHALITIS ... 49
4.3 BESCHREIBUNG UND CHARAKTERISIERUNG VON P75NTR-POSITIVEN SCHWANN-ZELLEN IM GEHIRN VON HUNDEN MIT STAUPEVIRUS-INDUZIERTER DEMYELINISIERENDER LEUKOENZEPHALITIS UND GRANULOMATÖSER MENINGOENZEPHALITIS ... 53
4.4 CHARAKTERISIERUNG VON NEURODEGENERATIVEN VERÄNDERUNGEN BEI EINER NEUEN KANINEN FORM DER NEUROAXONALEN DYSTROPHIE IN FOLGE EINES DEFEKTS IM TECTONIN BETA-PROPELLER REPEAT-CONTAINING PROTEIN 2 (TECPR2)-GEN ... 59
4.5 UNTERSUCHUNG DER SPATIO-TEMPORALEN AUSBREITUNG SOWIE DER MOLEKULAREN PATHOGENESE DER
AXONOPATHIE BEI DER THEILER´SCHEN MURINEN ENZEPHALOMYELITIS ... 62
4.6 CHARAKTERISIERUNG VON NEURODEGENERATIVEN VERÄNDERUNGEN BEI DER MURINEN DYSTONIA MUSCULORUM IN FOLGE EINES NEUARTIGEN DEFEKTS IM DYSTONIN-GEN ... 67
5 STUDIENÜBERGREIFENDE DISKUSSION ... 71
5.1 AXONOPATHIEN UND MÖGLICHE PATHOMECHANISMEN BEI VERSCHIEDENEN ZNS-ERKRANKUNGEN ... 71
5.2 SCHWANN-ZELL-REMYELINISIERUNG BEI KANINEN ENZEPHALITIDEN... 88
6 ZUSAMMENFASSUNG ... 95
7 SUMMARY ...101
8 LITERATURVERZEICHNIS ...105
9 DARSTELLUNG DES EIGENEN ANTEILS AN DEN WISSENSCHAFTLICHEN VERÖFFENTLICHUNGEN...175
10 DANKSAGUNG ...181
11 ANHANG ...183
11.1PUBLIKATION 1:INCREASED P75 NEUROTROPHIN RECEPTOR EXPRESSION IN THE CANINE DISTEMPER VIRUS MODEL OF MULTIPLE SCLEROSIS IDENTIFIES ALDYNOGLIAL SCHWANN CELLS THAT EMERGE IN RESPONSE TO AXONAL DAMAGE ... 183
11.2PUBLIKATION 2:NEW ASPECTS OF THE PATHOGENESIS OF CANINE DISTEMPER LEUKOENCEPHALITIS ... 185
11.3PUBLIKATION 3:IMMUNOHISTOCHEMICAL AND TRANSCRIPTOME ANALYSES INDICATE COMPLEX BREAKDOWN OF AXONAL TRANSPORT MECHANISMS IN CANINE DISTEMPER LEUKOENCEPHALITIS... 187
11.4PUBLIKATION 4:ACCUMULATION OF EXTRACELLULAR MATRIX IN ADVANCED LESIONS OF CANINE DISTEMPER DEMYELINATING ENCEPHALITIS ... 189
11.5PUBLIKATION 5:CONTRIBUTION OF SCHWANN CELLS TO REMYELINATION IN A NATURALLY OCCURRING CANINE MODEL OF CNS NEUROINFLAMMATION ... 191
11.6PUBLIKATION 6:TECPR2 ASSOCIATED NEUROAXONAL DYSTROPHY IN SPANISH WATER DOGS ... 193
11.7PUBLIKATION 7:AXONOPATHY IS ASSOCIATED WITH COMPLEX AXONAL TRANSPORT DEFECTS IN A MODEL OF MULTIPLE SCLEROSIS ... 195
11.8PUBLIKATION 8:INTERLEUKIN-10 EXPRESSION DURING THE ACUTE PHASE IS A PUTATIVE PREREQUISITE FOR DELAYED VIRAL ELIMINATION IN A MURINE MODEL FOR MULTIPLE SCLEROSIS ... 196
11.9PUBLIKATION 9:PERIVENTRICULAR DEMYELINATION AND AXONAL PATHOLOGY IS ASSOCIATED WITH SUBEPENDYMAL VIRUS SPREAD IN A MURINE MODEL FOR MULTIPLE SCLEROSIS... 197
11.10PUBLIKATION 10:AXONOPATHY IN THE CENTRAL NERVOUS SYSTEM IS THE HALLMARK OF MICE WITH A NOVEL INTRAGENIC NULL MUTATION OF DYSTONIN ... 198
II A BKÜRZUNGSVERZEICHNIS
ADAM a disintegrin and metalloprotease
ADAMTS a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs AKT Onkogen, Serin-Threonin-Kinase
ALS Amyotrophe Lateralsklerose ATG autophagy related genes β-APP beta amyloid precursor protein BPAG bullous pemphigoid antigen BS-1 Lektin von Bandeiraea simplicifolia CD cluster of differentiation
CDK cyclin dependent kinase, Zyklin-abhängige Kinase CDV canine distemper virus
CNP cyclic nucleotide phosphodiesterase DNS Desoxyribonukleinsäure
DL demyelinisierende Leukoenzephalitis EAE experimental autoimmune encephalomyelitis EDM equine degenerative Myeloenzephalopathie ERK extracellular signaling-regulated kinases EPO Erythropoietin
EZM extrazelluläre Matrix FGF fibroblast growth factor
FYCO1 FYVE and coiled-coil domain containing protein 1 GAP growth-associated protein
GFAP glial fibrillary acidic protein, saures Gliafaserprotein GME granulomatöse Meningoenzephalitis
HE Hämatoxylin-Eosin HIF hypoxia-inducible factor
HSP hereditäre spastische Paraparese
HOPS homotypic vacuole fusion and vacuole protein sorting IFNγ Interferon γ
IL Interleukin
JAK Januskinase
kb Kilobase
kDa Kilodalton KHC kinesin heavy chain
KIF5A kinesin heavy chain isoform 5A KLC kinesin light chain
LAMP lysosomal-associated membrane protein LC3 microtubule associated protein-light chain 3 LIF leukemia inhibitory factor
LINGO-1 leucine rich repeat (LRR) and lg domain containing 1 MAP microtubule-associated protein
MAG myelin-associated glycoprotein
MBP myelin basic protein, basisches Myelinprotein MMP Matrix-Metalloproteinase
MOG Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein mRNS messenger-Ribonukleinsäure
NAD neuroaxonale Dystrophie NADE p75NTR-associated cell death executor NAWM normal appearing white matter NF-κB nuclear factor-κB
NGFR nerve growth factor receptor
n-NF nicht-phosphoryliertes Neurofilament NO nitric oxide, Stickstoffmonoxid
NOS nitric oxide synthase, Stickstoffmonoxid-Synthase
NRAGE neurotrophin receptor interacting melanoma antigen (MAGE)-Homolog NRIF neurotrophin receptor interacting factor
OCT-6 octamer-binding transcription factor 6
OMgp oligodendrocyte myelin glycoprotein, Oligodendrozyten-Myelin- Glykoprotein
OPC oligodendrocyte precursor cell, Oligodendrozyten-Vorläuferzelle P0 myelin protein zero
PDGFR-α platelet derived growth factor receptor α PDV phocine distemper virus
PI3K phosphatidyl inositol-3 kinase PLP Proteolipidprotein
p-NF phosphoryliertes Neurofilament PNS peripheres Nervensystem PP2A Protein-Phosphokinase2A PPP2R2C protein phosphatase 2 subunit C
PSA-NCAM polysialylated neural cell adhesion molecule Rab7 Ras related protein in brain GTPase-7
RECK reversion-inducing cysteine-rich protein with Kazal-motifs RNS Ribonukleinsäure
ROCK Ras homologue A (RhoA)/Rho-associated protein kinase RT-qPCR Reverse-Transkriptase-quantitative-Polymerase-Kettenreaktion SC-1 Schwann cell factor 1
Sema4a class 4 transmembrane semaphorin, Transmembran-Semaphorin Klasse 4 SLAM signaling lymphocyte activation molecule
SNARE N-ethylmaleimide-sensitive-factor attachment receptor STAT signal transducer and activator of transcription TBCE Tubulin-spezifisches Chaperon e
TECPR2 tectonin beta-propeller repeat-containing protein 2 TGFβ transformierender Wachstumsfaktor β
TIMP tissue inhibitor of matrix metalloproteinases TME Theiler´sche murine Enzephalomyelitis TNF Tumor-Nekrose-Faktor
TRAF TNF receptor associated factor
TROY TNFRSF expressed on the mouse embryo UCHL-1 ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L1 Zeb2 zinc-finger E-box-binding homeobox 2 ZNS zentrales Nervensystem
Die in dieser Habilitationsschrift verwendete Schreibweise von Genen und Proteinen folgt soweit wie möglich den von den meisten Fachzeitschriften aktuell gebräuchlichen Konventionen. Demnach werden Gennamen kursiv und Proteinnamen in nicht-kursiver Schrift dargestellt. Abkürzungen für Gennamen bei Mensch und Hund werden in kursiven Großbuchstaben geschrieben (TIMP1, MBP, TNF), wohingegen bei Maus und Ratte nur der erste Buchstabe groß, der Rest klein, aber alles kursiv geschrieben wird (Timp1, Mbp, Tnf). Abkürzungen von Proteinen werden bei Mensch, Hund, Maus und Ratte in Großbuchstaben und nicht-kursiv geschrieben (TIMP-1, MBP, TNF). Bei Gennamen, die griechische Buchstaben enthalten, werden in der standardisierten Nomenklatur der meisten Gendatenbanken von der in wissenschaftlichen Texten häufig verwendeten Schreibweise (IFNγ, TGFβ1) abweichende synonyme Bezeichnungen mit lateinischen Buchstaben (Ifng, Tgfb1) verwendet.
III A BBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung 1: Struktur des axonalen Zytoskeletts und axonale Transportproteine ... 6 Abbildung 2: outside-in- und inside-out-Theorie des Axonschadens ... 8 Abbildung 3: Faktoren für eine axonale Schädigung ... 11 Abbildung 4: Schwann-Zell-Antigenexpression in verschiedenen
Differenzierungsstadien ... 22 Abbildung 5: Mögliche Pathogenese der Akkumulation von extrazellulärer Matrix bei der kaninen demyelinisierenden Staupeenzephalitis ... 82
IV E INGESCHLOSSENE EIGENE P UBLIKATIONEN
Publikation 1 (Anhang 11.1.):
IMBSCHWEILER I., F. SEEHUSEN, C.T. PECK, M. OMAR, W. BAUMGÄRTNER u. K.
WEWETZER (2012):
Increased p75 neurotrophin receptor expression in the canine distemper virus model of multiple sclerosis identifies aldynoglial Schwann cells that emerge in response to axonal damage. Glia 60, 358-371
Publikation 2 (Anhang 11.2.):
LEMPP C., I. SPITZBARTH, C. PUFF, A. CANA, K. KEGLER, S. TECHANGAMSUWAN, W.
BAUMGÄRTNER u. F. SEEHUSEN (2014):
New aspects of the pathogenesis of canine distemper leukoencephalitis. Viruses 6, 2571-2601
Publikation 3 (Anhang 11.3.):
SPITZBARTH I., C. LEMPP, K. KEGLER, R. ULRICH, A. KALKUHL, U. DESCHL, W.
BAUMGÄRTNER u. F. SEEHUSEN (2016):
Immunohistochemical and transcriptome analyses indicate complex breakdown of axonal transport mechanisms in canine distemper leukoencephalitis. Brain and Behavior e00472
Publikation 4 (Anhang 11.4.):
SEEHUSEN F., S. AL-AZREG, B. B. RADDATZ, V. HAIST, C. PUFF, I. SPITZBARTH, R.
ULRICH u. W. BAUMGÄRTNER (2016):
Accumulation of extracellular matrix in advanced lesions of canine distemper demyelinating encephalitis. PLOS ONE 11, e0159752
Publikation 5 (Anhang 11.5.):
KEGLER K., I. SPITZBARTH, I. IMBSCHWEILER, K. WEWETZER, W. BAUMGÄRTNER u.
F. SEEHUSEN (2015):
Contribution of Schwann cells to remyelination in a naturally occurring canine model of CNS neuroinflammation. PLOS ONE 10, e0133916
Publikation 6 (Anhang 11.6.):
HAHN K., C. ROHDIN, V. JAGANNATHAN, P. WOHLSEIN, W. BAUMGÄRTNER, F.
SEEHUSEN, I. SPITZBARTH, R. GRANDON, C. DRÖGEMÜLLER u. K.H. JÄDERLUND (2015):
TECPR2 associated neuroaxonal dystrophy in Spanish water dogs. PLOS ONE 10, e0141824
Publikation 7 (Anhang 11.7.):
KREUTZER M., F. SEEHUSEN, R. KREUTZER, K. PRINGPROA, M. KUMMERFELD, P.
CLAUS, U. DESCHL, A. KALKUHL, A. BEINEKE, W. BAUMGÄRTNER u. R. ULRICH (2012): Axonopathy is associated with complex axonal transport defects in a model of multiple sclerosis. Brain Pathology 22, 454-471
Publikation 8 (Anhang 11.8.):
HERDER V., I. GERHAUSER, S. KLEIN, P. ALMEIDA, M. KUMMERFELD, R. ULRICH, F.
SEEHUSEN, K. ROHN, D. SCHAUDIEN, W. BAUMGÄRTNER, J. HUEHN u. A. BEINEKE (2012):
Interleukin-10 expression during the acute phase is a putative prerequisite for delayed viral elimination in a murine model for multiple sclerosis. Journal of Neuroimmunology 249, 27-39
Publikation 9 (Anhang 11.9.):
KUMMERFELD M., F. SEEHUSEN, S. KLEIN, R. ULRICH, R. KREUTZER, I. GERHAUSER, V. HERDER, W. BAUMGÄRTNER u. A. BEINEKE (2012):
Periventricular demyelination and axonal pathology is associated with subependymal virus spread in a murine model for multiple sclerosis. Intervirology 55, 401-416
Publikation 10 (Anhang 11.10.):
SEEHUSEN F., K. KIEL, S. JOTTINI, P. WOHLSEIN, A. HABIERSKI, K. PAULSEN, T.
VOGEL, H. URLAUB, M. KOLLMAR, W. BAUMGÄRTNER u. U. TEICHMANN (2016):
Axonopathy in the central nervous system is the hallmark of mice with a novel intragenic null mutation of dystonin. Genetics 204,191-203
1 V ORWORT
Axonopathien und Axonverluste sind in den letzten Jahren bei neurodegenerativen Erkrankungen, bei denen die Demyelinisierung einst das augenscheinlich dominierende pathomorphologische Merkmal darstellte, in den Fokus der Forschung gelangt. Mittlerweile muss davon ausgegangen werden, dass das Paradigma der primären Demyelinisierung nicht uneingeschränkt aufrechterhalten werden kann. So wurde beispielsweise bei der Multiplen Sklerose des Menschen vermutet, dass die bereits früh auftretenden Axonschädigungen die Ursachen für den Funktionsverlust darstellen. Welche axonalen Substrukturen jedoch betroffen sind oder welche weiteren Pathomechanismen dieser Schädigung zugrunde liegen, wurde bei vielen Erkrankungen noch nicht tiefergehend untersucht.
Für die Pathogenesestudien von Axondefekten bei demyelinisierenden Erkrankungen im zentralen Nervensystem steht eine große Anzahl von Tiermodellen mit genetischen, infektiösen, metabolisch-toxischen und immunpathologischen Ätiologien zu Verfügung. Humane demyelinisierende Erkrankungen wie die Multiple Sklerose oder natürlich auftretende Erkrankungen bei Tieren wie die demyelinisierende Staupeenzephalitis des Hundes zeichnen sich durch eine starke, auch interindividuelle Heterogenität aus. Aus diesem Grund wurden viele Tiermodelle entwickelt, in denen unter standardisierten Bedingungen bestimmte Punkte in der Pathogenese solcher Spontanerkrankungen erforscht werden können.
Solche experimentellen Tiermodelle sind jedoch genetisch homogen und besitzen im Vergleich zum Menschen eventuell eine abweichende Neuroanatomie und (immun)pathogenetische Besonderheiten. Daher bleibt eine Untersuchung der spontan auftretenden, demyelinisierenden Erkrankung weiterhin erforderlich. Der letztgenannte Punkt unterstreicht zudem die Bedeutung des Hundes als wichtiges translationales Modell für humane Krankheitsbilder.
Neben einer möglichen axonalen Regeneration spielt eine Remyelinisierung demyelinisierter Areale die Hauptrolle bei regenerativen Prozessen im zentralen Nervensystem. Neben Oligodendrozyten und ihren Vorläuferzellen, wurde auch eine Schwann-Zell-ähnliche Gliapopulation beschrieben, die Remyelinisierungspotential
besitzt. Allerdings zeigt das zentrale Nervensystem im Gegensatz zum peripheren Nervensystem häufig eine nur unzureichende Remyelinisierung.
Die vorliegende Habilitationsschrift beschäftigt sich mit der Pathogenese neurodegenerativer Prozesse bei verschiedenen natürlich vorkommenden und experimentellen Erkrankungen von Hund und Maus, die allesamt mit axonalen Schädigungen einhergehen, einschließlich der kaninen Staupevirus-induzierten demyelinisierenden Leukoenzephalitis, der murinen demyelinisierenden Theilervirus-Enzephalomyelitis, der kaninen granulomatösen Meningoenzephalitis, einer Form der kaninen neuroaxonalen Dystrophie und Dystonia musculorum bei der Maus. Zudem werden das Auftreten und die Bedeutung von Schwann-Zellen für eine potenzielle Remyelinisierung und Faktoren für ein Scheitern dieser bei der Staupeenzephalitis und der granulomatösen Meningoenzephalitis des Hundes untersucht.
2 E INLEITUNG
2.1 DAS AXONALE ZYTOSKELETT UND AXONALE TRANSPORTPROZESSE
Im Nervensystem stellt die Aufrechterhaltung des Aktionspotentials die Hauptaufgabe des Axons dar (KIRKCALDIE u. COLLINS 2016). Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, besitzt das Axon eine einzigartige Organisation und Struktur seines Zytoskeletts (KEVENAAR u. HOOGENRAAD 2015).
Das Zytoskelett des Neurons und damit auch des Axons besteht aus drei Klassen von Filamenten: Mikrotubuli, Neurofilamente und Mikrofilamente (Abbildung 1).
Mikrotubuli bestehen aus α- und β-Tubulin-Heterodimeren und machen etwa 15- 20% des Proteingehalts im Gehirn aus (LAFERRIERE et al. 1997). Mikrotubuli sind polare Strukturen mit einem schneller wachsenden (auch als plus bezeichnetem) und einem langsamer wachsenden (auch als minus bezeichnetem) Ende. Sie sind somit für die Ausbreitung des axonalen Wachstumskegels und damit die axonale Migration sowie das axonale Längenwachstum und für die Aufrechterhaltung des schnellen anterograden axonalen Transports (innerhalb des Axons vom Perikaryon zum terminalen Axonabschnitt) zuständig. Die von den Mikrotubuli gebildeten Strukturen werden durch Vernetzung durch Mikrotubuli-assoziierte Proteine (microtubule- associated proteins; MAPs) wie MAP1, MAP2 oder das Tau-Protein stabilisiert (VICKERS et al. 1994). Hierbei werden MAP1A, MAP1B, MAP3, MAP5 und Tau hauptsächlich in Axonen und MAP2 in Dendriten und dem Soma aufgefunden (MANDELKOW u. MANDELKOW 1995; FUKUSHIMA et al. 2011).
Neurofilamente sind Intermediärfilamente, welche aus der 200 kD schweren (NF-H), 150 kD mittleren (NF-M) und 68 kD leichten (NF-L) Untereinheit bestehen (HIROKAWA et al. 1984; LEE u. CLEVELAND 1994; PETZOLD 2005). Die drei Formen unterscheiden sich in ihrem carboxyterminalen Ende. Dieses besitzt bei der schweren Untereinheit im Gegensatz zu den anderen Untereinheiten vermehrt Phosphorylierungsstellen (LEE et al. 1987; BLACK u. LEE 1988; LEE et al. 1988).
Unter physiologischen Bedingungen werden die Neurofilamente als nicht- phosphorylierte Proteine synthetisiert, welche auf dem Weg durch das Axon einen
komplexen Phosphorylierungsprozess durchlaufen (NIXON et al. 1994; PERROT et al.
2008). Ca. 80% der axonalen Neurofilamente sind als sogenannter statischer Pool in intakten Axonen stark phosphoryliert, während der zu 20% aus weniger phosphorylierten Neurofilamenten bestehende Anteil den dynamischen Pool ausmacht (GRANT u. PANT 2000; PETZOLD 2005). Im Bereich der Ranvierschen Schnürringe und anderen nicht-myelinisierten Bereichen sowie bei demyelinisierten Axonen zeigt sich ein deutlich verminderter Anteil von phosphorylierten Neurofilamenten im Vergleich zu myelinisierten Anteilen des gleichen Axons. Zudem ist bei demyelinisierten Axonen auch der Abstand zwischen den Neurofilamenten größer. Sowohl der Phosphorylierungsgrad als auch der Abstand normalisieren sich wieder im Rahmen der Remyelinisierung (DE WAEGH et al. 1992; MATA et al. 1992;
FUCHS u. CLEVELAND 1998). Der Anteil von NF-H und die Phosphorylierung von Neurofilamenten beeinflusst den axonalen Durchmesser, wobei eine vermehrte Expression von NF-H und ein hoher Phosphorylierungsgrad mit einem größeren axonalen Kaliber einhergeht (MARSZALEK et al. 1996; GRANT u. PANT 2000;
PETZOLD 2005). Unter physiologischen Bedingungen werden die Neurofilamente antero- und retrograd durch den langsamen axonalen Transport bewegt (FRANCIS et al. 2005; TRIVEDI et al. 2007). Hierbei führt eine starke Phosphorylierung zu einer Reduktion der Transportgeschwindigkeit (LETERRIER et al. 1996; ZHU et al. 1998;
YABE et al. 2001). Die Zyklin-abhängige Kinase 5 (cyclin-dependent kinase 5, CDK5) spielt zusammen mit ihrem Aktivator p35 und den extracellular signaling-regulated kinases 1/2 (ERK1/2) eine wichtige Rolle bei der NF-H-Phosphorylierung (SUN et al.
1996; VEERANNA et al. 2000; KESAVAPANY et al. 2003; KESAVAPANY et al. 2004;
TSUDA et al. 2011). Die durch CDK5 ausgelöste Phosphorylierung wird allerdings durch die Aktivität der Protein-Phosphatase2A (PP2A) antagonisiert. PP2A dephosphoryliert die CDK5-Phosphorylierungsstellen von NF-H (VEERANNA et al.
1995).
Aktinfilamente als Mikrofilamente sind in einem komplexen Maschenwerk in der Peripherie direkt unter dem Axolemm angeordnet und verbinden das Axolemm mit dem aus Mikrotubuli und Neurofilamenten bestehenden Zentrum. F-Aktin spielt aufgrund seiner Polarität bzw. seinem dynamischen Auf- und Abbau beim axonalen Wachstum eine wichtige Rolle (OKABE u. HIROKAWA 1991; KATSUNO et al. 2015).
Aktin ist auch an der Regulation der präsynaptischen Funktion maßgeblich beteiligt (RUST u. MARITZEN 2015).
Es existieren drei Haupt-Motorprotein-Familien: Kinesine, Dyneine und Myosine (Abbildung 1). Myosine unterstützen die Bewegung von Zellorganellen und Vesikeln auf Aktin-Filamenten (RAO et al. 2002). Kinesine bewegen sich in Richtung des Plusendes der Mikrotubuli, also anterograd. Im Gegensatz hierzu bewegt sich Dynein in Richtung des Minusendes und unterstützt somit den retrograden Transport.
Vesikel und Organellen werden im Allgemeinen durch den schnellen axonalen Transport, Komponenten des Zytoskeletts durch den langsamen axonalen Transport bewegt (ROY et al. 2000). Die Motorproteine bestehen aus mehr als 10 verschiedenen Kinesin- und zwei Dynein-Gruppen. Kinesin-I besteht aus einem Heterotetramer aus zwei 110 – 130 kD schweren Untereinheiten (kinesin heavy chain, KHC) und zwei 60 – 70 kD leichten Untereinheiten (kinesin light chain, KLC; BLOOM et al. 1988). KHC besitzt eine Motordomäne, interagiert mit den Mikrotubuli und hydrolysiert ATP. KLC ist in die Bindung des zu transportierenden Moleküls oder die Modulation der KHC- Aktivität involviert (ELLURU et al. 1995; GOLDSTEIN u. PHILP 1999; RAHMAN et al.
1999; BOWMAN et al. 2000). Bislang wurden drei KHC-Gene (KIF5A, KIF5B, und KIF5C) bei der Maus identifiziert, wobei KIF5A und KIF5C ausschließlich im Nervensystem vorkommen(XIA et al. 1998). KIF5A ist in den langsamen Transport von Neurofilamenten eingebunden (XIA et al. 2003). Stark phosphorylierte Neurofilamente lösen sich vom Kinesin, verbinden sich mit anderen Neurofilamenten und verlangsamen so den anterograden Transport (YABE et al. 1999; JUNG et al.
2005).
Zytoplasmatisches Dynein besteht aus zwei schweren Ketten (heavy chains, HC), die die Bewegung entlang der Mikrotubuli vermitteln, sowie zwei mittleren Ketten (intermediate chains, IC), vier mittelleichten Ketten (light intermediate chains, LIC) und mehreren leichten Ketten (light chains, LC; SUSALKA u. PFISTER 2000). Auch Dynein ist am Transport von Intermediärfilamenten beteiligt. So vermittelt Dynein den retrograden Transport von Neurofilamenten.
Die Degradation des Zytoskeletts wird durch Calcium-abhängige Proteasen durchgeführt (PAGGI u. LASEK 1984; SCHLAEPFER et al. 1985; GALLANT et al. 1986;
VITTO u. NIXON 1986). Höhere Calciumkonzentrationen, die nach Axonopathien auftreten, führen zu einer verstärkten Degradation von Neurofilamenten (BANIK et
al. 1987). Neurofilamente werden auch durch die lysosomalen Enzyme Kathepsin B, Trypsin und Chymotrypsin abgebaut (NIXON u. MAROTTA 1984; BANAY-SCHWARTZ et al. 1987; SUZUKI et al. 1988; CHIN et al. 1989). Ähnliche Funktionen wurden auch für die ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L1 (UCHL-1, PGP9.5) beschrieben. Neben der Deubiquitinierung scheint UCHL-1 auch Ubiquitin zu stabilisieren bzw.
Eigenschaften einer Ubiquitin-Ligase aufzuweisen (WILKINSON et al. 1999; LIU et al.
2002b). Eine Überexpression von UCHL-1 wurde bei Morbus Alzheimer und Parkinson nachgewiesen (CASTEGNA et al. 2002; BUTTERFIELD et al. 2006).
Abbildung 1: Struktur des axonalen Zytoskeletts und axonale Transportproteine
(modifiziert nach KIRKCALDIE u. COLLINS 2016)
Zytoplasmamembran Aktinfilamente Neurofilamente Mikrotubuli Kinesin Dynein Myosin Tau-Protein
2.2 AXONOPATHIEN BEI ERKRANKUNGEN DES ZENTRALEN NERVENSYSTEMS
Axonale Degeneration kann sowohl unter physiologischen als auch pathologischen Umständen entstehen. Physiologischerweise tritt sie während der Entwicklung des ZNS auf, wenn z. B. neuronale Abzweigungen um- bzw. abgebaut werden (sog. branch elimination oder axon pruning; O'LEARY u. KOESTER 1993).
Zwei Typen der pathologischen Axondegeneration wurden beschrieben: die distale Axonopathie (dying back) und die Wallersche Degeneration.
Der distalen Axonopathie liegen viele verschiedene Ätiologien wie mechanisch- traumatische, chemische oder toxische Insulte sowie Gendefekte zu Grunde (PRINEAS 1969a, 1969b; SCHLAEPFER 1971; SPENCER u. SCHAUMBURG 1974, 1980;
CONFORTI et al. 2007). Beim dying back-Phänomen degeneriert das Axon langsam vom distalen Ende bis zum Soma (CAVANAGH 1964). Wenn ZNS und PNS involviert sind, wird die Erkrankung auch als zentral-periphere distale Axonopathie, bei ausschließlicher Affektion des ZNS als zentrale distale Axonopathie bezeichnet. Beim dying back handelt es sich um eine stereotype, selbst-destruierende Antwort der Axone, die der Apoptose ähnlich ist (SAGOT et al. 1995; RAFF et al. 2002).
Eine Schwellung des Axons, ab einem Durchmesser von 120 μm auch Sphäroid genannt (KREUTZBERG et al. 1997), ist ein Charakteristikum der Wallerschen Degeneration. Hierbei bleibt der proximale Teil des Axons intakt, während der distale abstirbt (WALLER, 1850). Dieses Phänomen wurde zunächst im PNS beschrieben.
Neben der Degeneration des distalen Axonanteils kommt es auch zur Phagozytose von Axon- und Myelindebris durch Makrophagen. Der proximale Axonstumpf beginnt daraufhin zu regenerieren. Im ZNS sind die Prozesse ähnlich, allerdings ist die Regeneration hier insuffizient und die Abräumaktion durch Makrophagen ist unzureichend oder verspätet (SCHWAB u. BARTHOLDI 1996). Durch den Verlust trophischer Unterstützung durch das Axon kann es zur Apoptose von Oligodendrozyten mit sekundärer Demyelinisierung zahlreicher Axone kommen (TSUNODA u. FUJINAMI 2002; TSUNODA et al. 2003). Dieser Prozess wird auch als inside-out-Theorie beschrieben (Abbildung 2; TSUNODA u. FUJINAMI 2002).
Andererseits stehen bei der outside-in-Theorie primäre Myelinschäden im Vordergrund, während der Axonschäden sekundär entsteht (Abbildung 2; TSUNODA u. FUJINAMI 2002). Auch bei als primär demyelinisierend eingestuften Erkrankungen,
wie MS, gibt es Hinweise auf primäre axonale Schäden (TRAPP et al. 1998).
Axonschäden sind bei der TME bereits vor der Demyelinisierung beobachtbar (TSUNODA et al. 2003). Weiterhin konnte auch bei der Staupe-Leukoenzephalitis ein früh einsetzender Axonschaden festgestellt werden, der ebenfalls bereits vor der Demyelinisierung einsetzte (SEEHUSEN u. BAUMGÄRTNER 2010).
Immunhistologisch sind einige Marker für die Detektion von Axonopathien bekannt.
Antikörper gegen das Amyloidvorläuferprotein (APP) visualisieren im Schnittpräparat Schäden im schnellen, anterograden, axonalen Transport.
Physiologischerweise ist APP nicht detektierbar (COLEMAN 2005). Auch die nicht- phosphorylierte Form der Neurofilamente, nicht-phosphoryliertes Neurofilament (n- NF), ist für den Nachweis von Axonschäden geeignet. n-NF wird im Perikaryon der Neuronen synthetisiert und entlang der Axone phosphoryliert, so dass sich ca. 80%
der NFs in den Axonen phosphoryliert darstellen. Bei Axonopathien kommt es zu einer Akkumulation von n-NFs in Axonen und zu einer Abnahme von phosphorylierten Neurofilamenten (p-NFs; TSUNODA et al. 2003; SEEHUSEN u.
BAUMGÄRTNER 2010).
Abbildung 2: outside-in- und inside-out-Theorie des Axonschadens
Beim outside-in-Modell (= primäre Demyelinisierung) entwickelt sich die Läsion im Myelin-Axon-Kompartiment von der Oberfläche zur Innenseite. Durch die Noxe wird das Myelin oder der Oligodendrozyt angegriffen (a). Nach einer initialen Myelinzerstörung entwickeln sich sekundär axonale Schädigungen (b). Beim inside-out-Modell (=
sekundäre Demyelinisierung) entwickelt sich die Läsion von innen (primärer Axonschaden, c) nach außen (d).
Modifiziert nach MECHA et al. 2013.
Es gibt zahlreiche Faktoren, die zu einem Axonschaden bei demyelinisierenden Erkrankungen im ZNS beitragen können (Abbildung 3).
Axonopathien werden häufig im Zusammenhang mit entzündlichen Veränderungen aufgefunden (LASSMANN 2003a, 2003b). So sind z. B. CD8-positive T-Zellen in vitro in der Lage Neurone und Axone, die MHC Klasse I-Moleküle exprimieren, zu schädigen (HÖFTBERGER et al. 2004; MCDOLE et al. 2006; JOHNSON et al. 2007). Die Anzahl der CD8-positiven T-Zellen korreliert zudem mit dem axonalen Schaden in Biopsien von MS-Patienten (KUHLMANN et al. 2002). Makrophagen und aktivierte Mikroglia produzieren proinflammatorische Mediatoren wie Stickstoffmonoxid (nitric oxide, NO) und die Stickstoffmonoxid-Synthase (nitric oxide synthase, NOS) und schädigen auf diese Art und Weise Axone und Oligodendrozyten (SMITH et al. 2001a;
GARTHWAITE et al. 2002; ACAR et al. 2003). Hierbei zeigen allerdings vor allem demyelinisierte Axone in vitro eine geschädigte Erregungsfortleitung, während myelinisierte Axone nur bei sehr hohen Konzentrationen von NO einen ähnlichen Effekt zeigen (REDFORD et al. 1997). Axonprotektiv wirkt hingegen die Blockade von Natrium-Kanälen, da NO zur Akkumulation von Na+ im Zytoplasma und damit konsekutiv zum Axonschaden führt (KAPOOR et al. 2003). Zusätzlich verstärkt NO den exzitatorischen Effekt von Glutamat (DAWSON et al. 1991). Allerdings konnte in einer Studie in MS-Läsionen kein Zusammenhang zwischen einem akuten Axonschaden und induzierbarer NOS (iNOS) oder einer TNF-α-mRNS-Expression hergestellt werden (BITSCH et al. 2000). Antikörper, die gegen axonale Komponenten gerichtet sind, können ebenfalls eine Rolle bei der Entstehung von Axonopathien spielen. So konnten NF- und Tubulin-spezifische Antikörper bei MS-Patienten nachgewiesen werden (NEWCOMBE et al. 1985; ZHANG et al. 2005). Zudem zeigen Astrozyten und Oligodendrozyten eine verminderte Glutamat-Clearance und -Metabolisierung in MS-Läsionen. Eine Aufregulierung von Glutamat-Rezeptoren auf Neuronen verstärkt zusätzlich ihre Anfälligkeit für Exzitotoxizität und degenerative Prozesse (WERNER et al. 2001; PITT et al. 2003; NEWCOMBE et al. 2008). Weiterhin wird die Exzitotoxizität durch den Influx von Na+- und Ca2+-Ionen ins Axoplasma gefördert. Dieser führt zum Abbau von Neurofilamenten und zu einem gestörten axonalen Transport und Proteinakkumulation (SCHLAEPFER u. ZIMMERMAN 1985).
Energetische Defizite werden, vermittelt durch NO und Glutamat, durch eine gestörte Funktion der Mitochondrien und einen insuffizienten Transport der Mitochondrien
entlang des Axons verstärkt (CLEETER et al. 1994; BOLANOS et al. 1997; CLEMENTI et al. 1998; SMITH u. LASSMANN 2002). Aktive MS-Läsionen zeigen Störungen der Mitochondrien, die durch eine verminderte Expression von Proteinen der mitochondrialen Atmungskette gekennzeichnet ist. Im Gegensatz dazu ist die Anzahl der Mitochondrien und die Enzymaktivität der Atmungskette in demyelinisierten Axonen bei inaktiven Läsionen höher, was auf einen späten Kompensationsmechanismus hindeutet (MAHAD et al. 2009; WITTE et al. 2009).
Auch in remyelinisierten Axonen in MS-Läsionen ist die Anzahl der Mitochondrien höher als in myelinisierten Axonen der NAWM (ZAMBONIN et al. 2011). In Axonen verursacht eine mitochondriale Dysfunktion eine Energiedefizienz, die das intraaxonale Ionen-Gleichgewicht stört und somit die Degeneration von Axonen vorantreibt (COLEMAN 2005; TRAPP u. STYS 2009). Von diesem Prozess scheinen dünnere Axonen stärker als Axone mit einem größeren Kaliber betroffen zu sein.
Einige Autoren vermuten zudem, dass in aktiven, demyelinisierenden MS-Läsionen Eisen aus absterbenden Oligodendrozyten freigesetzt und im extrazellulären Raum als nicht-toxisches dreiwertiges Eisen oder toxisches zweiwertiges Eisen nachgewiesen wird (HAMETNER et al. 2013). Das Eisen wird dann von mikroglialen Zellen aufgenommen und akkumuliert am Rand der Läsion (CRAELIUS et al. 1982;
BAGNATO et al. 2011), von wo es nur sehr langsam abgeräumt wird. Durch diese oligodendrogliale Eisenfreisetzung könnte sich der oxidative Schaden erhöhen.
Mutationen in Genen, die für axonale Transportproteine kodieren, können ebenfalls die Struktur und Funktion von Axonen beeinflussen (GRIFFIN u. WATSON 1988;
SALINAS et al. 2008). So kommt es zu einem gestörten axonalen Transport bei Mutationen im Tubulin-spezifischen Chaperon e-Gen (Tbce) bei pmn-Mäusen (MARTIN et al. 2002). Auch Gendefekte von Molekülen der Kinesin-Familie verursachen eine Axondegeneration (ZHAO et al. 2001; REID et al. 2002).
Einen direkten Zusammenhang zwischen Axonschaden und Demyelinisierung herzustellen ist mitunter schwierig. So entwickeln Knock out-Mäuse für das glial cyclic nucleotide phosphodiesterase (Cnp1)-Gen Axonschwellungen und neurodegenerative Veränderungen im Gehirn. Ultrastrukturell sind ihre Myelinscheiden jedoch nicht betroffen (LAPPE-SIEFKE et al. 2003). Im Gegensatz dazu weisen myelin-associated glycoprotein (Mag)-defiziente Mäuse spät im Verlauf auftretende Axonschäden mit paranodaler Atrophie auf, was auf einen zugrunde
liegenden Myelinschaden hindeutet (LI et al. 1994). Ähnliche Veränderungen treten auch bei proteolipid protein (Plp)-defizienten Mäusen auf (GRIFFITHS et al. 1998).
Abbildung 3: Faktoren für eine axonale Schädigung
Neben den aus den Gefäßen eingewanderten zytotoxischen T-Zellen können auch Makrophagen/Mikroglia Axone durch Mediatoren wie z. B. Stickoxid (nitric oxide, NO) schädigen. Antikörper, die gegen axonale Komponenten gerichtet sind, können ebenfalls Axonopathien verursachen. Eine mitochondriale Dysfunktion kann zudem eine Energiedefizienz bewirken, die das axonale Ionen-Gleichgewicht stört und somit die Axondegeneration fördert. Astrozyten können durch die Synthese von proinflammatorischen Zytokinen, wie z. B. TNF-α, zur Axonschädigung beitragen.
Modifiziert nach LASSMANN 2014.
2.3 INHIBITION DES AXONALEN WACHSTUMS
Im adulten ZNS besitzen geschädigte Axone keine Regenerationsmöglichkeiten.
Dieser Umstand wird verschiedenen inhibitorischen Faktoren zugesprochen (SCHWAB u. BARTHOLDI 1996). Im Gegensatz dazu können Axone des PNS aufgrund fehlender inhibitorischer Faktoren in ihrer Umgebung regenerieren.
Es sind mehrere inhibitorische Myelinfaktoren bekannt, die das axonale Wachstum verhindern bzw. einschränken: Myelin-assoziiertes Glykoprotein (myelin-associated glycoprotein; MAG; MCKERRACHER et al. 1994; MUKHOPADHYAY et al. 1994; LIU et al. 2002a), Nogo-A (CHEN et al. 2000; GRANDPRE et al. 2000; OERTLE et al. 2003), Oligodendrozyten-Myelin-Glykoprotein (oligodendrocyte myelin glycoprotein; OMgp;
WANG et al. 2002), Transmembran-Semaphorine Klasse 4 (class 4 transmembrane semaphorins; Sema4a/CD100; MOREAU-FAUVARQUE et al. 2003) und EphrinB3 (BENSON et al. 2005).
MAG inhibiert die Regeneration bei postnatalen Neuronen bereits ab dem Zeitpunkt vier Tage post partum (BATES u. STELZNER 1993; MUKHOPADHYAY et al. 1994).
MAG, OMgp und Nogo-A binden an einen Rezeptor-Komplex, der aus dem Nogo-66- Rezeptor besteht (NgR1; FOURNIER et al. 2001; HUNT et al. 2002; HU et al. 2005).
Der NgR1-Signalweg benötigt einen Korezeptor, leucine rich repeat (LRR) and lg domain containing 1 (LINGO-1; MI et al. 2004) in Kombination mit einem Mitglied der Tumor-Nekrose-Faktor-Rezeptor-Superfamilie (tumor necrosis factor receptor superfamily; TNFRSF). Hierbei handelt es sich entweder um p75 (low affinity neurotrophin-receptor; WANG et al. 2002; MI et al. 2004) oder TNFRSF expressed on the mouse embryo (TROY; MORIKAWA et al. 2008). Folgend wird der Ras homologue A (RhoA)/Rho-associated protein kinase (ROCK)/cofilin-Signaltransduktionsweg aktiviert, der zum Kollaps des neuronalen Wachstumskegels führt. Nogo-A wird ausschließlich auf Oligodendrozyten, Myelinscheiden und einer kleinen Subpopulation von Neuronen exprimiert (WANG et al. 2002). NgR1 und LINGO gehören zur LRR-Superfamilie (FOURNIER et al. 2001; MI et al. 2004). Während es sich bei NgR1 um einen Glykosylphosphatidylinositol-(GPI)-gekoppelten Zelloberflächenrezeptor handelt, der nicht zur Signaltransduktion fähig ist, besitzt LINGO-1 eine Transmembran-Domäne für eine unabhängige Signaltransduktion.
Der Neurotrophin-Rezeptor p75NTR besitzt sowohl eine Transmembran- als auch eine Todes-Domäne. Neben seiner in einem anderen Kapitel dieser Arbeit beschriebenen Markerfunktion für Schwann-Zellen ist er in eine Vielzahl von neuronalen Funktionen involviert, wie z. B. Differenzierung, Zelltod als auch Regeneration (RABIZADEH u.
BREDESEN 2003; BRONFMAN u. FAINZILBER 2004). TROY gehört ebenfalls zur TNFR-Superfamilie und dient als Alternative für p75NTR im NgR-Signal-Komplex (J. B.
PARK et al. 2005; SHAO et al. 2005). Er wird von den sich entwickelnden neuronalen
Stammzellen der ventrikulären und subventrikulären Zone exprimiert. Im adulten Nager-ZNS wird er deutlich stärker exprimiert als p75NTR (KOJIMA et al. 2000;
HISAOKA et al. 2003; PARK et al. 2005; SHAO et al. 2005). LINGO-1 formt einen trimolekularen Komplex mit TROY und p75NTR (CHEN et al. 2006a; MI 2008) und wird überwiegend von neuronalen Subpopulationen des limbischen Systems und des Neokortex exprimiert. Verschiedene Studien gehen von einer bedeutenden Rolle von LINGO-1, TROY und p75NTR in der Inhibierung des axonalen Wachstums aus (MI et al.
2004; MI 2008). In chronisch-aktiven demyelinisierenden MS-Läsionen ist eine vermehrte Nogo-A-Expression bei Oligodendrozyten zu erkennen, während NgR1 in reaktiven Astrozyten und Mikroglia aufreguliert wird. Daher wird ein Einfluss von Nogo-A bzw. NgR auf die Demyelinisierung und axonale Regeneration angenommen (SATOH et al. 2007). Im ZNS von an MS Erkrankten sowie auch im Kontrollgewebe besitzen TROY und LINGO-1 eine weiter verbreitete neuronale Expression in bestimmten Subpopulationen als p75NTR. Oligodendrozyten zeigen nur eine schwache bis mäßige Expression von TROY und LINGO-1 (SATOH et al. 2007). Bei MS-Patienten wird eine verstärkte TROY- und LINGO-1-Immunoreaktivität bei einigen astrozytären Zellen als auch bei Makrophagen/Mikroglia aufgefunden (SATOH et al. 2007).
Transmembran-Semaphorine Klasse 4 induzieren den Zusammenbruch des axonalen Wachstumskegels im embryonalen ZNS (SWIERCZ et al. 2002). Im adulten ZNS wird Sema4a ausschließlich von Oligodendrozyten und im Myelin exprimiert und zeigt im geschädigten ZNS eine Aufregulierung. EphrinB3 wird von myelinisierenden Oligodendrozyten exprimiert und inhibiert die Verlängerung bzw. Ausbreitung axonaler Strukturen (BENSON et al. 2005). Hierfür werden parallel ablaufende oder synergistische Effekte wie bei Nogo, MAG und OMgp angenommen (DUFFY et al.
2012).
Neben den bereits erwähnten direkt zellassoziierten Faktoren, die das axonale Wachstum beeinflussen und z. T. inhibieren, wird der extrazellulären Matrix (EZM) ebenfalls eine große Rolle bei diesen Vorgängen zugesprochen. Die EZM besteht aus interagierenden Makromolekülen, welche in drei Strukturklassen eingeteilt werden können: Proteoglykane (z. B. Aggrecan und Phosphacan), Glykoproteine (z. B.
Fibronektin und Laminin) und Faserproteine (Kollagene; ALBERTS et al. 1994). Die Hauptaufgabe der EZM besteht in der Stabilisierung des Gewebes, allerdings spielt sie auch eine Rolle in der Versorgung von Nährstoffen, Metaboliten und Hormonen
(ALBERTS et al. 1994). Einige der EZM-Moleküle wie z. B. Brevican, Neurocan, Phosphacan und Tenascin-R sind ausschließlich im ZNS zu finden (BANDTLOW u.
ZIMMERMANN 2000; NOVAK u. KAYE 2000). Einige EZM-Moleküle haben einen Einfluss auf die Regulierung der Zellmigration, das axonale Wachstum und die Synaptogenese (GRUMET et al. 1994; FAISSNER 1997; SOBEL 1998; BANDTLOW u.
ZIMMERMANN 2000). Alterationen des ZNS, wie z. B. die entzündlich/degenerativen Läsionen in MS-Plaques beeinflussen die Zusammensetzung der EZM (SOBEL 1998).
Bei verschiedenen experimentell induzierten demyelinisierenden Erkrankungen wie der experimentellen allergischen Enzephalitis (EAE) und der Theiler´schen murinen Enzephalomyelitis (TME) wurden ebenfalls Alterationen in der Synthese der EZM festgestellt (DE-CARVALHO et al. 1999; IBRAHIM et al. 2001; HAIST et al. 2012). Diese Studien zeigten eine progressive Akkumulation von EZM in demyelinisierenden Läsionen der weißen Substanz. Auch NG2-positive Zellen können zur Inhibition des axonalen Wachstums beitragen. NG2 ist ein Molekül aus der Familie der Chondroitinsulfat-Proteoglykane der EZM und wird nach ZNS-Schädigungen aufreguliert (LEVINE 1994). So verbleiben die dystrophischen, geschädigten Axone im äußeren Grenzgebiet des nekrotischen Zentrums, der Penumbra, in enger Assoziation mit NG2-positiven Gliazellen (MCTIGUE et al. 2006; BUSCH et al. 2010).
Beim Hund ist bislang ist wenig über die Struktur und Funktion von EZM-Molekülen im ZNS bekannt. Im oberen Olivenkern des Hundes konnten Chondroitinsulfat- Proteoglykane als Bestandteil der EZM nachgewiesen werden (ATOJI et al. 1990) Weiterhin produzieren Astrozyten ein ZNS-spezifisches Hyaluronat-Bindungsprotein (BIGNAMI u. DAHL 1986; BIGNAMI et al. 1988; ASHER et al. 1991). Sowohl in der grauen als auch in der weißen Substanz enthält die EZM im ZNS das gliale Hyaluronat-Bindungsprotein in Assoziation mit Hyaluronat und formt so ein perizelluläres Netzwerk (BIGNAMI et al. 1992). Im Rahmen der demyelinisierenden Staupeenzephalitis wird der astrozytäre Hyaluronat-Rezeptor CD44 in akuten und subakuten Läsionen auf- sowie in chronischen Plaques runterreguliert (ALLDINGER et al. 2000).
Zink-abhängige Endopeptidasen, die Matrixmetalloproteinasen (MMPs), beeinflussen den EZM-Metabolismus und degradieren EZM-Moleküle im ZNS und sorgen auf diesem Weg auch für die die Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke (CHANDLER et al. 1997; ROSENBERG 2002). Zudem aktivieren sie zahlreiche Zytokine und
Chemokine (MATRISIAN 1990; WOESSNER 1991; STAMENKOVIC 2003).
Antagonisten der MMPs sind die tissue inhibitors of matrix metalloproteinases (TIMPs) und andere Proteine wie reversion-inducing cysteine-rich protein with Kazal-motifs (RECK; BREW et al. 2000; OH et al. 2001). Bei MS können zahlreiche MMPs und TIMPs intra- als auch extraläsional im Gehirnparenchym sowie erhöht im Serum und Liquor nachgewiesen werden (COSSINS et al. 1997; LEPPERT et al. 1998; OZENCI et al. 1999; KOUWENHOVEN et al. 2001; LINDBERG et al. 2001; BAR-OR et al. 2003).
Eine weitere Gruppe von EZM-modulierenden Enzymen stellen die Familie der a disintegrin and metalloprotease (ADAMs) bzw. a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs (ADAMTS) dar (APTE u. PARKS 2015; KELWICK et al.
2015). Bei EAE konnte eine Abnahme der Expression verschiedener ADAMTS nachgewiesen werden, was zum verminderten Abbau von EZM und somit zu Entstehung einer Glianarbe beitragen könnte (CROSS et al. 2006). In MS-Läsionen war die mRNS-Expression von ADAMTS-1 und -5 im Vergleich zu Kontrollgewebe runterreguliert. Auf Proteinebene zeigte sich in den Läsionen eine höhere ADAMTS-4- Expression (HADDOCK et al. 2006).
2.4 AXONALE REGENERATION
Das growth-associated protein (GAP)-43 stellt einen für die axonale Entwicklung und Regeneration wichtigen Faktor dar (SKENE u. WILLARD 1981). Physiologischerweise wird GAP-43 während der Entwicklung im Wachstumskegel von Axonen aufgefunden. GAP-43 ist im neuronalen Zytoplasma nahe der Plasmamembran und im Membranskelett des Wachstumskegels lokalisiert (MEIRI et al. 1986; MEIRI u.
GORDON-WEEKS 1990). Im PNS wird die Expression von GAP-43 aufreguliert, wenn es zu einem Axonschaden kommt. Hierdurch wird die axonale Regenerationsfähigkeit gefördert (BISBY 1988; VAN DER ZEE et al. 1989; WOOLF et al. 1990;
SOMMERVAILLE et al. 1991; TETZLAFF et al. 1991; BISBY u. TETZLAFF 1992; SAIKA et al. 1993; KOBAYASHI et al. 1994). Im Hippocampus, Thalamus und der Substantia nigra kann eine GAP-43-Expression durch eine Schädigung induziert werden (GOTO et al. 1994; SCHAUWECKER et al. 1995; VAUDANO et al. 1995). Andere Studien besagen jedoch, dass Neurone des ZNS generell keine Fähigkeit besitzen, GAP-Gene zu exprimieren (SKENE u. WILLARD 1981; SKENE 1984), was in einer mangelnden
axonalen Regeneration resultiert. Im Gegensatz hierzu wurde jedoch bei einer experimentell induzierten Rückenmarksschädigung ein Anstieg von GAP-43- positiven Axonen und Neuronen beschrieben (SCHREYER u. SKENE 1991; CURTIS et al. 1993; LI et al. 1996). Da es sich bei GAP-43 um eine durch den schnellen axonalen Transport weitergeleitetes Protein handelt, kann dies auf eine intraaxonale Akkumulation durch einen gestörten axonalen Transport hindeuten. Weiterhin wurden GAP-43-positive Axone auch bei natürlich auftretenden Rückenmarksschädigungen beim Hund nachgewiesen (BOCK et al. 2013).
Erythropoietin (EPO) ist ein Glykoprotein, welches hauptsächlich in der fetalen Leber und postnatal in der Niere synthetisiert wird (DAME et al. 1998). Es wird als Reaktion auf eine Hypoxie ausgeschüttet. Neben einer Stimulation der Hämatopoese (LACOMBE u. MAYEUX 1999) besitzt EPO im ZNS neuroprotektive und -trophische Eigenschaften. Diese wurden auch bei demyelinisierenden Erkrankungen wie EAE, MS und bei einer Cuprizon-induzierten Demyelinisierung nachgewiesen (BRINES u. CERAMI 2005; EHRENREICH et al. 2007; HAGEMEYER et al. 2012). Unter physiologischen Bedingungen findet sich EPO im Kortex und Hippocampus von Menschen und Mäusen (BERNAUDIN et al. 1999; DAME et al. 2000; SIREN et al.
2001a, 2001b). Zudem besteht eine EPO-Expression in kapillären Endothelzellen des ZNS. Der Rezeptor für EPO (EPO-R) wurde in vielen zerebralen Zellen, wie Neuronen, Mikroglia, Astrozyten und Schwann-Zellen, aber auch in Spinalganglien und in Neuronen des Rückenmarks nachgewiesen (DIGICAYLIOGLU et al. 1995; JUUL et al.
1999; CAMPANA u. MYERS 2001; SIREN et al. 2001b; LI et al. 2005). EPO und EPO-R werden bereits acht Stunden nach ischämischen oder traumatischen Insulten im PNS und ZNS aufreguliert (SADAMOTO et al. 1998; BERNAUDIN et al. 1999; CAMPANA u.
MYERS 2001; GRASSO et al. 2005).
EPO vermittelt seinen neuroprotektiven Effekt vermutlich über den Janus-kinase signal transducer and activator of transcription (JAK2/STAT3) und phosphatidyl inositol-3 kinase (PI3K)/serine/threonine kinase (AKT)-Signalweg sowie über RhoA und die Rho-assoziierten Kinasen (ROCK-1 und ROCK-2). Letztere verstärken die Phosphorylierung der Myosin-Leichtketten-Phosphatase, was die Struktur des Zytoskeletts beeinflusst (BROWN u. BRIDGMAN 2004). Inhibitoren von ROCK fördern das axonale Wachstum (TAN et al. 2012). Zudem besteht ein Zusammenhang zwischen dem hypoxia-inducible factor-1 alpha (HIF1α) und dem RhoA/ROCK-
Signalweg, da die Transkription von EPO durch HIF1α aktiviert wird (XIAOWEI et al.
2006). HIF1α akkumuliert im ZNS unter hypoxischen Bedingungen in Nagermodellen (WIENER et al. 1996; BERGERON et al. 1999; JONES u. BERGERON 2001; PASCUAL et al. 2001). Eine Behandlung mit EPO kann zum Überleben von retinalen Ganglienzellen und axonaler Regeneration nach experimenteller Verletzung des optischen Nervens beitragen (TAN et al. 2012). Während in diesem Zusammenhang RhoA, ROCK-1 und -2 runterreguliert werden, zeigt sich eine vermehrte Expression von GAP-43 (TAN et al. 2012).
2.5 DER P75-NEUROTROPHIN-REZEPTOR (P75NTR)
Beim p75-Neurotrophin-Rezeptor (p75NTR) handelt es sich um ein Mitglied der Tumornekrose-Faktor (TNF)-Rezeptor-Superfamilie, welche mehr als 25 Moleküle beinhaltet. Ähnlich den anderen Mitgliedern dieser Gruppe ist p75NTR ein Typ I Transmembranprotein (IBANEZ u. SIMI 2012). Der Rezeptor besteht aus einem extrazellulären Abschnitt aus vier Cystein-reichen Domänen, einer Transmembrandomäne und einem intrazellulären Abschnitt aus einer juxtamembranösen und einer Todesdomäne (VON SCHACK et al. 2001). Es existiert sowohl die komplette Variante als auch eine alternative gespleißte Variante mit dem Namen s-p75NTR. Bei dieser Form fehlen drei der vier Cystein-reichen Domänen, was die Bindung von Neurotrophinen verhindert (VON SCHACK et al. 2001).
p75NTR besitzt eine Vielzahl von Funktionen in physiologischen und pathologischen Prozessen in Neuronen, Gliazellen sowie dem Immunsystem (HEMPSTEAD 2002). So ist p75NTR ein positiver Modulator des durch einen weiteren Neurotrophin-Rezeptor, Trk, vermittelten Zellüberlebens und besitzt damit trophische Effekte (HEMPSTEAD 2002; NYKJAER et al. 2005). Allerdings kann p75NTR auch durch Interaktion mit Sortilin-Rezeptoren und proNGF Apoptose auslösen (NYKJAER et al. 2004). Eine Interaktion von p75NTR mit verschiedenen Trk-Rezeptoren in Hippocampusneuronen von Ratten und Stimulation durch NGF kann das Auswachsen von Neuriten in vitro fördern (BRANN et al. 1999). Im Gegensatz dazu verursacht eine Interaktion mit Nogo eine Inhibition der axonalen Ausbreitung in vitro (WANG et al. 2002). Zudem ist p75NTR in die Migration von Schwann-Zellen während der Entwicklung und ihre Myelinisierung involviert (BENTLEY u. LEE 2000; COSGAYA et al. 2002; SONG et al.
2006).
Der Signaltransduktionsweg von p75NTR ist noch nicht vollständig geklärt. So kommen für die Interaktion mit der intrazellulären Todesdomäne des Rezeptors mehrere Kandidaten in Frage: p75NTR-associated cell death executor (NADE; MUKAI et al. 2000;
MUKAI et al. 2002), neurotrophin receptor interacting factor (NRIF; CASADEMUNT et al. 1999) und neurotrophin receptor-interacting melanoma antigen (MAGE)-Homolog (NRAGE; SALEHI et al. 2000). Diese Moleküle sind mit dem Zelltod assoziiert. NRIF, NRAGE und der Schwann cell factor 1 (SC-1; CHITTKA u. CHAO 1999) sind zudem an
der Arretierung des Zellzyklus beteiligt (HEMPSTEAD 2002). Ein anderes Beispiel stellt die GTPase RhoA dar, welche die Verlängerung des Axons fördert (YAMASHITA et al. 1999) sowie der TNF receptor associated factor (TRAF), der in Verbindung mit p75NTR den Transkriptionsfaktor nuclear factor-κB (NF-κB) aktiviert (KHURSIGARA et al. 1999; YE et al. 1999).
p75NTR ist zudem am Apoptosevorgang in der Entwicklung sowie nach Schädigungen in verschiedenen Zelltypen beteiligt. (ROUX u. BARKER 2002; NYKJAER et al. 2005;
IBANEZ u. SIMI 2012). Die proapoptotische Effekte von p75NTR werden durch die intrazelluläre Todesdomäne vermittelt (PARKHURST et al. 2010). So führt eine Stimulation von p75NTR durch pro-NGF zur Apoptose von Oligodendrozyten in Ratten mit Rückenmarksschädigung in vivo (BEATTIE et al. 2002) sowie zur Apoptose von kortikospinalen Neuronen in einem Mausmodell für traumatische Gehirnschädigung (HARRINGTON et al. 2004).
2.5.1 P75NTR-EXPRESSION IN SCHWANN-ZELLEN
Schwann-Zellen als auch in gewissem Maße ihre Vorläuferzellen sind im peripheren Nervensystem (PNS) für die Versorgung der nervalen Strukturen, die Erregungsweiterleitung sowie die Entwicklung und Regeneration der Nerven, die Produktion der extrazellulären Matrix, die Modulierung der neuromuskulären synaptischen Aktivität und die Antigenpräsentation verantwortlich (JESSEN u.
MIRSKY 2005; ARMATI u. MATHEY 2013). Ihre Hauptfunktion besteht jedoch in der Myelinisierung von peripheren Axonen (JESSEN u. MIRSKY 2005; ARMATI u.
MATHEY 2013).
p75NTR wird von Schwann-Zellen während ihrer Entwicklung exprimiert und wird nach Insulten sowie während der Regeneration aufreguliert (TANIUCHI et al. 1986;
COSGAYA et al. 2002; CRAGNOLINI u. FRIEDMAN 2008).
Schwann-Zellen durchlaufen drei Entwicklungsstadien (Abbildung 4; JESSEN u.
MIRSKY 1998). Neben unreifen und reifen Schwann-Zellen existieren von letzterer Variante auch myelinisierende und nicht-myelinisierende Schwann-Zellen. Unreife und nicht-myelinisierende Schwann-Zellen exprimieren p75NTR, während myelinisierende Schwann-Zellen dies nicht tun (JESSEN u. MIRSKY 2005).
Hierbei stellen Signale ausgehend von Axonen (sogenanntes axonal signaling) wichtige Triggerfaktoren für die Schwann-Zell-Differenzierung, -Proliferation,
-Migration und Aufregulierung von Myelinproteinen dar (WOOD u. BUNGE 1975;
MAUREL u. SALZER 2000; CHEN et al. 2006b). So wird beispielsweise SOX10 bereits in sehr frühen Entwicklungsstadien der Schwann-Zellen (Übergang Neuralleistenzelle zu Vorläuferzelle) exprimiert (Abbildung 4; BRITSCH et al. 2001) und auch im weiteren Verlauf der Schwann-Zell-Entwicklung benötigt (FINZSCH et al. 2010).
Neuregulin-1 (NRG1) stellt ein wichtiges axonales Signal dar, das die Schwann-Zell- Proliferation, -Migration und auch -Myelinisierung über eine Bindung an ErbB2/3- Rezeptoren vermittelt (NEWBERN u. BIRCHMEIER 2010). Der Myelinisierungsprozess im PNS wird zudem durch eine Vielzahl von Zelltypen und Molekülen wie z. B. Neuronen der Spinalganglien, Schwann-Zellen, den Neurotrophinen brain-derived neurotrophic factor (BDNF) und NT3 sowie ihren Rezeptoren reguliert (ZHANG et al. 2000; CHAN et al. 2001; COSGAYA et al. 2002;
CHEN et al. 2006b). Hierbei zeigt BDNF nach Bindung an p75NTR positive Effekte in Bezug auf die Myelinisierung während der Entwicklung (CHAN et al. 2001) und nach einer Schädigung (ZHANG et al. 2000). Dieses konnte für BDNF und auch NT3 in vitro in Form einer Kokultivierung von Spinalganglien-Neuronen und Schwann-Zellen bestätigt werden (CHAN et al. 2001). Über eine Interaktion mit p75NTR fördert BDNF die Myelinisierung von Schwann-Zellen (YAMAUCHI et al. 2004). NT3 fördert die Migration von Schwann-Zellen und inhibiert die Myelinisierung durch Interaktion mit dem TrkC-Rezeptor (COSGAYA et al. 2002; YAMAUCHI et al. 2003). Daher wird in der Prämyelinisierungsphase p75NTR stark von Schwann-Zellen exprimiert (CRAGNOLINI u. FRIEDMAN 2008). Wenn dann die Schwann-Zellen in Kontakt mit dem Axon treten, wird die Expression von den Transkriptionsfaktoren nuclear factor-kappa-B (NF-κB), octamer-binding transcription factor 6 (Oct6) und brain 2 class III POU domain protein (Brn2) sowie Krox-20 initiiert. Diese wiederum werden für die Induktion von Myelin- spezifischen Genen benötigt (NICKOLS et al. 2003; JESSEN u. MIRSKY 2005).
Adulte p75NTR-defiziente Mäuse zeigen dünnere Myelinscheiden im Nervus ischiadicus als der Wildtyp (SONG et al. 2006). Eine Remyelinisierung findet auch bei p75NTR- defizienten Mäusen nach einer Schädigung des Nerven statt, allerdings erscheint die Anzahl der myelinisierten Axone und die Dicke der Myelinscheide im Vergleich zum Wildtyp reduziert (SONG et al. 2006). Zusätzlich wird bei Nichtvorhandensein einer p75NTR-Expression in Schwann-Zellen ein vermindertes axonales Wachstum beobachtet (TOMITA et al. 2007). Allerdings gibt es auch Hinweise auf eine pro-
apoptotische Rolle für p75NTR. So kommt es bei einer Axotomie im Nervus ischiadicus von Mäusen zu einem Absterben von Schwann-Zellen im distalen Segment des Nervens, während dies bei p75NTR-defizienten Mäusen unterbleibt (PETRATOS et al.
2003). Auch auf Transkriptomebene gibt es Untersuchungen über Schwann-Zellen beim Hund. So wurden in einer Studie periphere Schwann-Zellen, olfaktorische Hüllzellen, zentralnervöse Schwann-Zell-ähnliche Gliazellen und kutane Fibroblasten hinsichtlich ihrer mRNS-Expression verglichen, um mögliche Biomarker für eine Unterscheidung der Zellgruppen zu etablieren. Es bestand hierbei eine starke Ähnlichkeit des Transkriptoms der in vitro-kultivierten peripheren Schwann-Zellen, olfaktorischen Hüllzellen und zentralen Schwann-Zell-ähnlichen Gliazellen (ULRICH et al. 2014). In vitro verhalten sich zentrale Schwann-Zellen jedoch gegenüber peripheren Schwann-Zellen in Bezug auf die Kaliumkanäle recht unterschiedlich.
Sowohl das Muster der Kaliumströme als auch eine ausgeprägte O4-/A2B5- Expression bei verminderter GFAP-Expression erinnerten daher eher an Oligodendrozyten-Vorläuferzellen (KEGLER et al. 2014).
Abbildung 4: Schwann-Zell-Antigenexpression in verschiedenen Differenzierungsstadien
Unter dem Einfluss von Sox10 und Zeb2 differenzieren sich aus Neuralleistenzellen und Vorläuferzellen Schwann-Zellen (unreif, myelinisierend und nicht-myelinisierend). Während dieser Differenzierungsphase werden viele Faktoren exprimiert, die z. T. myelinisierungsfördernd (grün) oder z. T. myelinisierungshemmend (rot) wirken. p75NTR wird von Schwann-Zellen in allen Differenzierungsstadien außer den myelinisierenden Schwann-Zellen exprimiert. Die Entwicklung von unreifen Schwann-Zellen (Mitte) in einen myelinisierenden Phänotyp (rechts oben) wird durch axonales signaling getriggert. Hierbei kommt es zu einer Aufregulierung von Transkriptionsfaktoren wie Oct6 und Krox-20. Zudem können Schwann-Zellen unter dem Einfluss von Transkriptionsfaktoren wie c-Jun, Notch und Sox2 zusätzlich de-differenzieren, z. B. wenn sie den axonalen Kontakt während einer Nervenverletzung verlieren. Sie nehmen dann wieder einen molekularen und morphologischen Phänotyp ähnlich den unreifen Schwann-Zellen an.
Modifiziert nach JESSEN u. MIRSKY 2002, 2008, 2010; MIRSKY et al. 2008; SALZER 2008; Zawadzka et al. 2010; WANG et al. 2015.
GalC = galactocerebroside, GAP-43 = growth-associated protein 43, GFAP = glial fibrillary acidic protein, MAG = myelin-associated glycoprotein, MAL = myelin and lymphocyte protein, MBP = myelin basic protein, NCAM = neural cell adhesion molecule, NFκB = nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells, NT-3 = neurotrophin 3, NRG1 = Neuregulin 1, Oct6 = octamer transcription factor 6, P0
= myelin protein zero, PDGFR-α = platelet-derived growth factor receptor alpha, PLP = proteolipid protein, PMP-22 = peripheral myelin protein 22; Ran-2 = Ras-related nuclear protein 2, SOX = SRY- related HMG-box, TGF-β = transforming growth factor beta, Zeb 2 = zinc-finger E-box-binding homeobox 2
2.5.2 SCHWANN-ZELLEN UND REMYELINISIERUNG IM ZENTRALEN NERVENSYSTEM
Unter Remyelinisierung versteht man den Regenerationsprozess der Myelinscheide bei demyelinisierten Axonen. Hierdurch wird die Erregungsfortleitung funktionell wiederhergestellt (JEFFERY u. BLAKEMORE 1997; LIEBETANZ u. MERKLER 2006).
Von experimentellen Tiermodellen für demyelinisierende Erkrankungen weiß man, dass im ZNS eine Remyelinisierung durch Oligodendrozyten-Vorläuferzellen (oligodendrocyte precursor cells; OPCs) erreicht wird (LEVINE u. REYNOLDS 1999;
WATANABE et al. 2002). Die neue Myelinscheide ist dann in der Regel dünner, trägt aber trotzdem zur funktionellen Wiederherstellung des Axon bei. Bei der MS des Menschen werden remyelinisierte Areale auch als shadow plaques bezeichnet, da sie aufgrund der dünneren Myelinscheiden aufgehellt erscheinen (CRAWFORD et al.
2013). Neben platelet-derived growth factor α (PDGFR-α) und NG2 exrimieren OPCs den Marker Olig1 und, in sehr geringem Ausmaß, Olig2 und NKx2.2 in der adulten weißen Substanz (BOULANGER u. MESSIER 2014). In akut demyelinsierenden Läsionen steigt dagegen die Expression der beiden letztgenannten Marker dramatisch an (FANCY et al. 2004; WATANABE et al. 2004; TALBOTT et al. 2005). In einigen remyelinisierten MS-Läsionen fand sich, vor allem im remyelinsierten Randbereich, eine Aufregulierung von fibroblast growth factor 1 (FGF-1) gegenüber Kontrollgewebe. FGF-1 induziert die Expression des Chemokins CXCL8 und des leukemia inhibitory factor (LIF). Hierbei handelt es sich um zwei Proteine, welche Oligodendrozyten rekrutieren und die Remyelinisierung begünstigen (ISHIBASHI et al. 2006; KELLAND et al. 2011). Somit wird auch für FGF-1 eine solche Rolle vermutet (MOHAN et al. 2014). FGF-9 hingegen inhibiert die Myelinisierung und Remyelinisierung in vitro. FGF-9 verstärkt die Expression von Ccl2 und Ccl7, zwei proinflammatorischen Zytokinen, die zu einer Aktivierung von Makrophagen/Mikroglia in MS-Läsionen führen (LINDNER et al. 2015). Makrophagen können sich allerdings auch positiv auf Remyelinisierungsvorgänge auswirken. So konnte in einem EAE-Modell gezeigt werden, dass, wenn Makrophagen daran gehindert werden, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden und zur Läsion zu gelangen, die Remyelinisierung nur verzögert abläuft (KOTTER et al. 2001). Auch die Phagozytose von Myelindebris durch Mikroglia ist wichtig für eine effiziente Remyelinisierung, da dies die Rekrutierung von OPCs und ihre Differenzierung
ermöglicht (KOTTER et al. 2006; RUCKH et al. 2012). Astrozyten besitzen überwiegend inhibitorische aber auch fördernde Effekte in Bezug auf die Remyelinisierung durch OPCs bzw. Oligodendrozyten (LI et al. 2016). So sind ist die Chemokine CCL2 und CXCL10 bei EAE mit dem Beginn der klinischen Symptome bzw.
dem Schweregrad in chronischen Läsionen korreliert (KIM et al. 2014; MILLS KO et al. 2014). Astrozytär produziertes CXCL1 inhibiert zwar die Migration von OPCs in vitro, fördert allerdings ihre Proliferation im murinen Rückenmark (TSAI et al. 2002).
IL-1β und IL-6 führen zur vermehrten Apoptose von Oligodendrozyten bzw. zu einer verminderten Differenzierung von OPCs (DENG et al. 2014; MOORE et al. 2015). Auch das bone morphogenic protein (BMP) hemmt die Differenzierung von OPCs in einem Tiermodell für Rückenmarksschädigungen (WANG et al. 2011). Allerding zeigen bei einem Cuprizon-Modell sowohl von Astrozyten exprimiertes Osteopontin als auch PDGF-α eine positiven Effekt bezüglich der Proliferation von OPCs (SELVARAJU et al.
2004; WOODRUFF et al. 2004). FGF-2 scheint, entgegen der bereits genannten Proteine FGF-1 und FGF-9, als mitogener Faktor für OPCs die Remyelinisierung zu begünstigen (ALBRECHT et al. 2003). Eine vermehrte Expression von Tau-Protein scheint die Differenzierung von OPCs zu begünstigen (OSSOLA et al. 2016).
Insgesamt ist die Remyelinisierung bei MS durch Oligodendrozyten allerdings weitestgehend insuffizient (FRANKLIN u. FFRENCH-CONSTANT 2008; LASSMANN 2014). Das Scheitern des Remyelinisierungsvorganges zieht als Konsequenz einen progressiven sekundären Axonverlust nach sich (BJARTMAR et al. 2003; TRAPP u.
NAVE 2008). Nichtsdestotrotz zeigen einige MS-Patienten eine ausgeprägte Remyelinisierung, bei der bis zu 90% der Läsionen in der weißen Substanz remyelinisierte shadow plaques darstellen (PATRIKIOS et al. 2006; PATANI et al.
2007). Hierbei handelt es sich um scharf demarkierte Bereiche, die zentral meist ein kleines oder mittelgroßes Gefäß beinhalten. In der Myelinfärbung stellen sich diese Areale blasser dar, weil eine Reduktion der Myelindicke besteht (PATRIKIOS et al.
2006). Andere Merkmale von shadow plaques sind eine mäßige Reduktion der axonalen Dichte (KORNEK et al. 2000), ein Fehlen von Makrophagen mit Myelinabbauprodukten und nur eine geringe perivaskuläre Entzündungszellinfiltration (PATRIKIOS et al. 2006). Das Auftreten dieser shadow plaques ist nicht vom Subtyp oder vom Stadium der Erkrankung abhängig. Allerdings scheinen kortikale Läsionen oder Herde in der weißen Substanz der subkortikalen
