Dendritic pathology in a mouse model of multiple sclerosis

Wens, Adinda (2025): Dendritic pathology in a mouse model of multiple sclerosis. Dissertation, LMU München: Graduate School of Systemic Neurosciences (GSN)

Abstract

With nearly 3 million individuals affected worldwide, multiple sclerosis (MS) stands as a significant global health concern. This disease is marked by the formation of inflammatory and demyelinating lesions within both the grey and white matter of the central nervous system (CNS). In the initial relapsing phase of MS, treatment strategies primarily focus on mitigating inflammation by targeting the adaptive immune system. However, as the disease progresses and disability accumulates, these therapies often prove insufficient, as they do not effectively address the neurodegenerative processes underlying disease progression. Consequently, there is a pressing need for studies aimed at elucidating the mechanisms driving neurodegeneration in MS, with the ultimate goal of identifying targets that can halt or slow down the progression of MS. The neurodegenerative mechanisms occurring within the grey matter remain poorly understood. Neurons are cells with highly specialized compartments like dendrites and axons. While axons have garnered significant attention as targets of an immune attack, dendrites have been relatively understudied in the context of MS. Hence, my doctoral project centred on visualizing and characterizing dendritic pathology in the inflamed CNS, as well as elucidating possible molecular mechanisms underlying this pathology. In the first part of this thesis, I examined dendrites within the lumbar spinal cord of mice with experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a common animal model of MS. Notably, dendrites within the grey matter appeared to maintain their structural integrity during peak of disease. Intriguingly, a proportion of dendrites were observed extending into the white matter, predominantly originating from motor neurons. At acute disease stages, these dendrites exhibited a beaded appearance, indicative of potential distress due to their proximity to lesions. Interestingly, the dendritic density restored to healthy levels after resolution of initial inflammation. Furthermore, thorough examination revealed no evidence of neuronal loss, synaptic density reduction, or nanoruptures allowing calcium influx – as found in axons – thus ruling out these possibilities for dendritic damage. Consequently, I conclude that dendritic pathology in the context of neuroinflammation occurs independently of neuronal cell loss, possibly depending on inflammatory signals, underscoring a possible link between preceding neuroinflammation and resulting neurodegeneration. To explore whether soluble molecules, possibly diffusing from lesions within the EAE tissue, contribute to dendritic beading and to identify the specific molecules involved, I developed a method to manipulate motor neurons in the spinal cord. The goal was to deplete their membrane receptors for these extrinsic signals while preserving the diseased environment. To achieve this, I employed a combination of CRISPR-engineering and AAV-PHP.eB viral vectors. This innovative approach enabled DNA-editing of specific receptors and assessment of their impact within the EAE model. The development of this technique offers a rapid means of manipulating multiple candidates in neurons in vivo. This approach has the potential to accelerate experimentation and enhance our ability to dissect the intricate molecular mechanisms underlying dendritic pathology in MS and EAE. Subsequently, I employed this technique to investigate the involvement of several receptors in dendritic pathology, focusing on receptors for molecules that are typically found within or near inflammatory lesions. By targeting the receptor for the inflammatory cytokine IFN-γ, as well as the glutamate receptors NMDAR and AMPAR, I sought to determine whether depletion or blocking of these receptors could prevent or alleviate the observed dendritic pathology. However, the results within this thesis suggest that none of the interventions lead to changes in dendritic fate, and the pathology remained similar to that observed in unedited wild type neurons. Overall, this research underscores the presence of dendritic pathology within the inflamed spinal cord. However, it did not unveil a specific molecular mechanism underlying the observed dendritic damage. During this work, I also established a versatile pipeline for in vivo gene editing of adult motor neurons using CRISPR/Cas9 technology that can help to improve our molecular understanding of neurological disorders.

Abstract

Die Multiple Sklerose (MS), von der weltweit fast 3 Millionen Menschen betroffen sind, stellt ein erhebliches globales Gesundheitsproblem dar. Diese Krankheit ist gekennzeichnet durch die Bildung von entzündlichen und demyelinisierenden Läsionen sowohl in der grauen als auch in der weißen Substanz des zentralen Nervensystems (ZNS). In der anfänglichen schubförmigen Phase der MS konzentrieren sich die Behandlungsstrategien in erster Linie auf die Eindämmung der Entzündung, indem sie auf das adaptive Immunsystem abzielen. Wenn die Krankheit jedoch fortschreitet und die Behinderungen zunehmen, erweisen sich diese Therapien oft als unzureichend, da sie die neurodegenerativen Prozesse, die dem Fortschreiten der Krankheit zugrunde liegen, nicht wirksam verhindern können. Daher besteht ein dringender Bedarf an Studien, die darauf abzielen, die Mechanismen zu ergründen, die entzündliche Schädigung der Nervenzellen vorantreiben, mit dem Ziel, Therapiestrategien zu identifizieren, die das Fortschreiten der MS aufhalten oder verlangsamen können. Die neurodegenerativen Mechanismen, die in der grauen Substanz ablaufen, sind nach wie vor nur unzureichend bekannt. Neurone sind Zellen mit hochspezialisierten Kompartimenten wie Dendriten und Axonen. Während die entzündliche Schädigung von Axonen schon vergleichsweise intensiv untersucht wurde, ist die Pathologie der Dendriten im entzündeten Nervensystem noch relativ wenig erforscht. Daher konzentrierte sich mein Promotionsprojekt auf die Visualisierung und Charakterisierung der dendritischen Pathologie sowie auf die Erforschung möglicher molekularer Mechanismen, die diesem Phänomen zugrunde liegen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchte ich Dendriten im lumbalen Rückenmark des Tiermodells der Multiplen Sklerose, der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE). Bemerkenswerterweise schienen die Dendriten in der grauen Substanz ihre strukturelle Integrität zu bewahren. Zudem untersuchten wir auch die Dendriten, die sich in die weiße Substanz erstreckten und überwiegend von motorischen Neuronen stammen. Diese Dendriten wiesen Schwellungen auf, was auf eine entzündliche Schädigung aufgrund ihrer Nähe zu den Läsionen hindeutet. Interessanterweise erreichte die dendritische Dichte nach Abklingen der anfänglichen Entzündung wieder ein gesundes Niveau. Darüber hinaus ergaben sich bei den nachfolgenden Untersuchung keine Anzeichen für einen neuronalen Verlust, eine Verringerung der synaptischen Dichte oder Nanorupturen, die einen Kalziumeinstrom ermöglichen (wie sie in Axonen zu finden sind), so dass diese Möglichkeiten für den dendritischen Rückgang ausgeschlossen werden können. Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass die dendritische Pathologie im Zusammenhang mit MS ein vom neuronalen Zelltod unabhängiger Prozess ist, der möglicherweise von Entzündungssignalen abhängt und eine mögliche Verbindung zwischen vorausgehender Neuroinflammation und daraus resultierender Neurodegeneration unterstreicht. Um zu untersuchen, ob lösliche Moleküle, die möglicherweise aus Läsionen im EAE-Gewebe diffundieren, zur dendritischen Schädigung beitragen, und um die spezifischen Moleküle zu identifizieren, die daran beteiligt sind, habe ich eine Methode entwickelt, um Motoneurone im Rückenmark zu manipulieren. Ziel war es, Membranrezeptoren für spezifische entzündliche extrinsische Signale zu deaktivieren und gleichzeitig die entzündliche Umgebung zu erhalten. Dazu habe ich eine Kombination aus CRISPR-Engineering und AAV-PHP.eB-Virusvektoren eingesetzt. Dieser innovative Ansatz ermöglichte DNS-Editierung spezifischer Rezeptoren und die Bewertung ihrer Auswirkungen auf die neuronale Pathologie im EAE-Modell. Die Entwicklung dieser Technik bietet einen vielseitig einsetzbaren Ansatz zur Manipulation molekularer Kandidaten in Neuronen in vivo. Dieser Ansatz hat das Potential Experimente zu beschleunigen und unsere Fähigkeit zu verbessern, die molekularen Mechanismen, die der dendritischen Pathologie bei MS und EAE zugrunde liegen, zu untersuchen. Anschließend setzte ich diese Technik ein, um die Beteiligung des Rezeptors für das entzündliche Zytokin IFN-γ sowie die Glutamatrezeptoren NMDAR und AMPAR an der dendritischen Pathologie zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten jedoch darauf hin, dass keiner der Eingriffe zu einer Veränderung des dendritischen Schicksals führte und die Pathologie derjenigen ähnelte, die bei unbehandelten Wildtyp-Neuronen beobachtet wurde. Insgesamt unterstreicht diese Untersuchung das Vorhandensein einer dendritischen Schädigung innerhalb des entzündeten Rückenmarks. Einen spezifischen molekularen Mechanismus, der der beobachteten Degeneration zugrunde liegt, konnte ich in dieser Arbeit noch nicht aufdecken. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich aber eine Pipeline für das genetische Editieren erwachsener Motoneuronen in vivo mit der CRISPR/Cas9-Technologie entwickelt. Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit, die Untersuchung der molekularen Mechanismen neurologischer Erkrankungen zu beschleunigen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Multiple sclerosis, CRISPR/Cas9, Neuroinflammation
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Graduate School of Systemic Neurosciences (GSN)
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 7. Februar 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Kerschensteiner, Martin