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Morphologische Analyse der distalen Auswirkungen des axonalen Transportdefizits in einem Tiermodell der Multiplen Sklerose
Morphologische Analyse der distalen Auswirkungen des axonalen Transportdefizits in einem Tiermodell der Multiplen Sklerose
Multiple Sklerose (MS) ist eine der häufigsten neuroimmunologischen Erkrankungen, die bereits im jungen Erwachsenenalter zu bleibender Behinderung führen kann. Die Erkrankung ist gekennzeichnet durch entzündliche Läsionen, De- und Remyelinisierung sowie axonale Degeneration. Aktuelle Therapieoptionen wirken primär immunmodulatorisch oder immunsuppressiv. In der progredienten Phase, wenn die Entzündung größtenteils abgeklungen und axonaler Schaden und Degeneration die vorherrschende Pathologie ist, sind therapeutische Möglichkeiten rar. Demyelinisierung, Inflammation und mitochondriale Dysfunktion führen zu oxidativem Schaden und metabolischem Ungleichgewicht in den Axonen. Im Tiermodell Experimentelle Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) konnte gezeigt werden, dass Transportdefizite, die mit der Entzündung einhergehen, weitverbreitet und anhaltend sind. Während in der akuten Phase der Transport in beide Richtungen unterbrochen ist, bleibt in der chronischen Phase der anterograde Transport stärker beeinträchtigt als der retrograde. In der vorliegenden Arbeit habe ich mich mit den Auswirkungen des chronischen Transportdefizits auf die mitochondriale Verteilung in Axonkollateralen und Boutons/Synapsen beschäftigt. EAE wurde in transgenen Tieren, welche an Mitochondrien gebundenes fluoreszierendes Protein exprimieren, induziert. Mittels Spinalganglieninjektion eines viralen Vektors konnte eine definierte Population von Axonen, die eine entzündliche Läsion durchqueren und in der lumbalen grauen Substanz Kollateralen abgeben, markiert werden. Synapsen und Entzündungszellen wurden durch Immunfluorezenzfärbung visualisiert. In akuter EAE hatten kurz anhaltende Transportunterbrechungen keinen Einfluss auf den distalen Gehalt an Mitochondrien, während langanhaltende Transportdefizite als Resultat chronischer Neuroinflammation zu einer Reduktion der distalen Mitochondrienzahl und damit zu einer energetischen Minderversorgung des distalen Nervenastes führten. Darüberhinaus zeigten Axone ohne Mitochondriendepletion ein anderes Verteilungsmuster als die Kontrollen mit einem Shift der Mitochondrien aus den Boutons in die dazwischenliegenden Abschnitte. Die Anzahl und das Volumen der Mitochondrien innerhalb der Boutons waren reduziert, wohingegen die Anzahl der Boutons unverändert blieb. Diese Ergebnisse deuten daraufhin, dass die Transportdefizite zu einer distalen mitochondrialen Depletion und damit Affektion der grauen Substanz beitragen, die bei EAE und MS beobachtet werden kann. Je mehr klinische Defizite sich in chronisch progredienter MS über die Zeit anhäufen, desto weniger sprechen sie auf antiinflammatorische Medikation an. Zukünftig müssen neue therapeutische Ansätze geschaffen werden, die zu einer Wiederherstellung des axonalen Transports, der axonalen Homöostase und der mitochondrialen Funktion beitragen können., Multiple Sclerosis (MS) is one of the most common causes for neurological disability in young adults, hallmarked by inflammatory lesions, de- and remyelination and axonal degeneration. Current treatment options are primarily directed at immunomodulation or immunsuppression. In the progressive phase, when inflammation has abated and axonal injury and degeneration is the dominant pathology, treatment options are sparse. Demyelination, inflammation and mitochondrial dysfunction lead to oxidative damage and metabolic imbalance within the axons, which ultimately results in axonal degeneration. In the animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) it could be shown that transport deficits linked to inflammation are pervasive and continuous. While acutely anterograde and retrograde transport are both affected, in chronic EAE mostly anterograde transport is reduced. The implications of the chronic transport deficits on mitochondrial distribution in axon collaterals and synapses were subject of my thesis. We induced EAE in genetically modified mouse lines that express mitochondrially targeted cyan fluorescent protein. Via dorsal root ganglion injection of a viral vector for a fluorescent protein I was able to follow a selective set of axons through an inflammatory lesion passing off collaterals into the gray matter. Synapses and inflammatory cells were visualized by immunofluorescence. In acute EAE, short lasting transport interruptions do not affect the distal mitochondrial content, while longer lasting transport deficits as observed in chronic neuroinflammation decrease the distal mitochondrial content and thereby diminish the energy supply of the distal axonal arbor. Moreover, healthy appearing axons not depleted of mitochondria showed a different mitochondrial distribution with depleted boutons and increased content in the extrasynaptic parts. While mitochondrial number and volume within the boutons was decreased, the number of boutons was unaltered. These results indicate that distal mitochondrial depletion might contribute to gray matter pathology concomitant with clinical deficits seen in EAE and MS. As clinical deficts accumulate over time and are unresponsive to anti-inflammatory treatment in progressive MS, new therapeutic approaches that can recover axonal transport, restore the axonal homeostasis and supporting mitochondrial function should be explored.
Mitochondrien, Multiple Sklerose, Axonaler Transport, Synapsen
Ladwig, Anne
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Ladwig, Anne (2017): Morphologische Analyse der distalen Auswirkungen des axonalen Transportdefizits in einem Tiermodell der Multiplen Sklerose. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Multiple Sklerose (MS) ist eine der häufigsten neuroimmunologischen Erkrankungen, die bereits im jungen Erwachsenenalter zu bleibender Behinderung führen kann. Die Erkrankung ist gekennzeichnet durch entzündliche Läsionen, De- und Remyelinisierung sowie axonale Degeneration. Aktuelle Therapieoptionen wirken primär immunmodulatorisch oder immunsuppressiv. In der progredienten Phase, wenn die Entzündung größtenteils abgeklungen und axonaler Schaden und Degeneration die vorherrschende Pathologie ist, sind therapeutische Möglichkeiten rar. Demyelinisierung, Inflammation und mitochondriale Dysfunktion führen zu oxidativem Schaden und metabolischem Ungleichgewicht in den Axonen. Im Tiermodell Experimentelle Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) konnte gezeigt werden, dass Transportdefizite, die mit der Entzündung einhergehen, weitverbreitet und anhaltend sind. Während in der akuten Phase der Transport in beide Richtungen unterbrochen ist, bleibt in der chronischen Phase der anterograde Transport stärker beeinträchtigt als der retrograde. In der vorliegenden Arbeit habe ich mich mit den Auswirkungen des chronischen Transportdefizits auf die mitochondriale Verteilung in Axonkollateralen und Boutons/Synapsen beschäftigt. EAE wurde in transgenen Tieren, welche an Mitochondrien gebundenes fluoreszierendes Protein exprimieren, induziert. Mittels Spinalganglieninjektion eines viralen Vektors konnte eine definierte Population von Axonen, die eine entzündliche Läsion durchqueren und in der lumbalen grauen Substanz Kollateralen abgeben, markiert werden. Synapsen und Entzündungszellen wurden durch Immunfluorezenzfärbung visualisiert. In akuter EAE hatten kurz anhaltende Transportunterbrechungen keinen Einfluss auf den distalen Gehalt an Mitochondrien, während langanhaltende Transportdefizite als Resultat chronischer Neuroinflammation zu einer Reduktion der distalen Mitochondrienzahl und damit zu einer energetischen Minderversorgung des distalen Nervenastes führten. Darüberhinaus zeigten Axone ohne Mitochondriendepletion ein anderes Verteilungsmuster als die Kontrollen mit einem Shift der Mitochondrien aus den Boutons in die dazwischenliegenden Abschnitte. Die Anzahl und das Volumen der Mitochondrien innerhalb der Boutons waren reduziert, wohingegen die Anzahl der Boutons unverändert blieb. Diese Ergebnisse deuten daraufhin, dass die Transportdefizite zu einer distalen mitochondrialen Depletion und damit Affektion der grauen Substanz beitragen, die bei EAE und MS beobachtet werden kann. Je mehr klinische Defizite sich in chronisch progredienter MS über die Zeit anhäufen, desto weniger sprechen sie auf antiinflammatorische Medikation an. Zukünftig müssen neue therapeutische Ansätze geschaffen werden, die zu einer Wiederherstellung des axonalen Transports, der axonalen Homöostase und der mitochondrialen Funktion beitragen können.

Abstract

Multiple Sclerosis (MS) is one of the most common causes for neurological disability in young adults, hallmarked by inflammatory lesions, de- and remyelination and axonal degeneration. Current treatment options are primarily directed at immunomodulation or immunsuppression. In the progressive phase, when inflammation has abated and axonal injury and degeneration is the dominant pathology, treatment options are sparse. Demyelination, inflammation and mitochondrial dysfunction lead to oxidative damage and metabolic imbalance within the axons, which ultimately results in axonal degeneration. In the animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) it could be shown that transport deficits linked to inflammation are pervasive and continuous. While acutely anterograde and retrograde transport are both affected, in chronic EAE mostly anterograde transport is reduced. The implications of the chronic transport deficits on mitochondrial distribution in axon collaterals and synapses were subject of my thesis. We induced EAE in genetically modified mouse lines that express mitochondrially targeted cyan fluorescent protein. Via dorsal root ganglion injection of a viral vector for a fluorescent protein I was able to follow a selective set of axons through an inflammatory lesion passing off collaterals into the gray matter. Synapses and inflammatory cells were visualized by immunofluorescence. In acute EAE, short lasting transport interruptions do not affect the distal mitochondrial content, while longer lasting transport deficits as observed in chronic neuroinflammation decrease the distal mitochondrial content and thereby diminish the energy supply of the distal axonal arbor. Moreover, healthy appearing axons not depleted of mitochondria showed a different mitochondrial distribution with depleted boutons and increased content in the extrasynaptic parts. While mitochondrial number and volume within the boutons was decreased, the number of boutons was unaltered. These results indicate that distal mitochondrial depletion might contribute to gray matter pathology concomitant with clinical deficits seen in EAE and MS. As clinical deficts accumulate over time and are unresponsive to anti-inflammatory treatment in progressive MS, new therapeutic approaches that can recover axonal transport, restore the axonal homeostasis and supporting mitochondrial function should be explored.