| License: Publishing license for publications including print on demand (4MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-288922
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.28892
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 16 October 2013 |
| Referee: | Prof. Dr. Thomas Langmann |
| Date of exam: | 30 September 2013 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Humangenetik |
| Keywords: | Neuronal ceroid lipofucsinosis, retinal degeneration, microglia |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 28892 |
Abstract (English)
Microglia are specialized macrophages of the central nervous system involved in immune regulation, tissue development, homeostasis and wound repair. In healthy tissue, microglia are found in a ramified state which is tightly controlled by neurons. Upon insult, microglia undergo morphological changes, resembling active phagocytic macrophages and are highly motile. In neurodegenerative diseases, ...
Abstract (English)
Microglia are specialized macrophages of the central nervous system involved in immune regulation, tissue development, homeostasis and wound repair. In healthy tissue, microglia are found in a ramified state which is tightly controlled by neurons. Upon insult, microglia undergo morphological changes, resembling active phagocytic macrophages and are highly motile. In neurodegenerative diseases, such are Alzheimer's or multiple sclerosis and in most inherited retinal dystrophies, microglia cells are found in a permanent pro-inflammatory active state which exacerbates cell death and disease progression. Similarly, astrocytes in the brain or Müller cells in the retina, also become reactive in diseased tissue and may contribute to disease progression through overshoot release of protective factors such as VEGF (vascular endothelial growth factor), massive proliferation and release of inflammatory intermediates which recruit microglia to site of injury. Along with active microglia, reactive astrocytes/Müller cells are also found in virtually all neurodegenerative and retinal dystrophies.
Microglia and Müller cell status has not been well defined in retinal degeneration of neurodegenerative disease neuronal ceroid lipofuscinosis (NCL). The NCLs are early onset lysosomal storage disorders characterized by vision loss, mental and motor deficits, and spontaneous seizures. Massive accumulation of auto-fluorescent material in neurons lead to progressive neuronal degeneration and cell death Furthermore, neuropathological analyses of autopsy material from NCL patients and animal models revealed brain atrophy closely associated with microglial and astrocyte activity. However, it is unclear whether this phenomenon is mainly confined to the brain or also occurs in the retina
Two mouse models of NCL, Cln3Δex7-8 and Cln6nclf, were selected for detailed characterization of retinal degeneration with focus on microglia and Müller cell activity. Studies showed that Cln3Δex7-8 mice had a late onset of retinal degeneration which started at 9 months and progressed until severe retinal impairment at 18 months. Reactive Müller cells were present starting at six months with no significant microglial activation until late disease stage. Furthermore, degeneration originated from inner retinal cells as seen through electroretinograms with little photoreceptor death. In contrast, temporal studies on Cln6nclf mice showed an early progressive retinal degenerative phenotype which started before one month of age resulting in loss of vision and retinal function by eight months. Full retinal degeneration was accompanied by reactive Müller cells already present at one month of age and fully active microglia at four months. Mixed population of ramified and active microglia were seen at one month. Transcript profiling of the Cln6ncl mouse retina also showed up-regulated expression of apoptotic, inflammatory and active microglia markers.
Based on the strong reactivity of microglia, Cln6nclf mice were supplemented with immuno-modulatory compounds curcumin, luteolin or DHA in order to ameliorate microgliosis and reduce retinal degeneration. Studies showed Cln6nclf mice supplemented with 0.6% curcumin, 0.6% luteolin or 5% DHA had improved retinal function, better visual acuity and DHA-supplementation had the greatest preservation of photoreceptors. All supplements were able to attenuate microglia activation as seen by the presence of microglial ramification and intact network. However, curcumin and luteolin supplementation did not have any effect on retinal transcriptom whilst DHA-supplementation reduced expression of inflammatory and apoptotic markers.
Taken together, microglial reactivity accompanies disease progression in the Cln6nclf retina but not Cln3Δex7-8. Immuno-modulating compounds were able to attenuate disease progression and reactive microglia to a certain extent in Cln6nclf mice, indicating modulation of microglial activity could be helpful in preserving vision and may ameliorate neuronal degeneration in NCL. Finally, inspection of the retinal function may also allow to monitor general disease progression and could be used to assess the efficacy of therapeutic interventions for NCL patients.
Translation of the abstract (German)
Mikrogliazellen sind spezialisierte Makrophagen des zentralen Nervensystems, die an der Immunoregulation, Gewebeentwicklung und Wungheilung beteiligt sind. Im gesunden Gewebe liegen Mikrogliazellen in einer verzweigten Form vor, welche von Neuronen kontrolliert wird. Nach einer Schädigung ändert sich die Morphologie der Mikrogliazellen und ähnelt dann der von aktivierten, phagozytischen ...
Translation of the abstract (German)
Mikrogliazellen sind spezialisierte Makrophagen des zentralen Nervensystems, die an der Immunoregulation, Gewebeentwicklung und Wungheilung beteiligt sind. Im gesunden Gewebe liegen Mikrogliazellen in einer verzweigten Form vor, welche von Neuronen kontrolliert wird. Nach einer Schädigung ändert sich die Morphologie der Mikrogliazellen und ähnelt dann der von aktivierten, phagozytischen Makrophagen. Außerdem werden die Mikroglia dadurch sehr beweglich. In neurodegenerativen Erkrankungen, wie Alzheimer oder multiple Sklerose, und in den meisten erblichen Netzhautdystrophien befinden sich Mikrogliazellen dauerhaft in diesem proinflammatorischen Zustand, welcher den Zelltod und die Progression der Erkrankung beschleunigt. In ähnlicher Weise werden Astrozyten im Gehirn oder Müllerzellen in der Netzhaut im erkrankten Gewebe aktiviert und können den weiteren Verlauf der Erkrankung negativ beeinflussen. Neben aktiven Mikrogliazellen kommen auch reaktive Astrozyten/Müllerzellen in praktisch allen neurodegenerativen und retinalen Dystrophien vor.
Die neuronalen Ceroid-Lipofuszinosen (NCL) sind neurodegenerative Erkrankungen, welche mit einer Netzhautdegeneration einhergehen. Hier ist der Einfluss von Mikroglia und Müllerzellen noch nicht genau bekannt. Die NCL-Erkrankungen sind lysosomale Speicherkrankheiten, die im frühen Lebensalter beginnen und durch Sehverlust, mentale und motorische Defizite und spontane epileptische Anfälle charakterisiert sind. Eine massive Anreicherung von autofluoreszentem Material in den Nervenzellen führt zu fortschreitender Neurodegeneration und zum Zelluntegang. Außerdem zeigen neuropathologische Untersuchungen an Autopsiematerial von NCL-Patienten und an Tiermodellen eine Hirnatrophie, die eng mit der Aktivität der Mirkoglia und Asztozyten assoziiert ist. Es bleibt jedoch unklar, ob sich dieses Phänomen nur im Gehirn abspielt, oder ob es auch in der Netzhaut auftritt.
Zwei Mausmodelle für NCL, Cln3Δex7-8 und Cln6nclfb, wurden für eine detaillierte Charakterisierung der Netzhautdegeneration untersucht, wobei der Fokus auf die Aktivität der Mikroglia und der Müllerzellen gelegt wurde. Studien haben gezeigt, dass die Netzhautdegeneration bei Cln3Δex7-8-Mäusen erst spät einsetzt. Diese beginnt im neunten Lebensmonat und wird bis zum achtzehnten Lebensmonat progressiv schlechter. Das Endstadium der Erkrankung ist schließlich durch eine schwere Netzhautschädigung gekennzeichnet. Reaktive Müllerzellen konnten ab dem sechsten Monate identifiziert werden. Eine Aktivierung von Mikrogliazellen hingegen wurde erst in einem späten Stadium der Krankheit beobachtet. Des Weiteren begann die Degeneration in den inneren Netzhautschichten, wie durch Elektroretinogramme gezeigt werden konnte, wobei die Photorezeptoren kaum von dem Zellsterben betroffen waren. Im Gegensatz dazu zeigten Studien an Cln6nclf-Mäusen einen frühzeitigen, progressiv degenerativen Phänotyp der Retina, welcher vor dem ersten Lebensmonat begann und zum Verlust der Sehkraft und der Netzhautfunktion im achten Lebensmonat führte. Während des gesamten Prozesses konnten reaktive Müllerzellen beobachtet werden, welche schon im ersten Lebensmonat auftraten. Ferner wurden im ersten Monat gemischte Gruppen von verzweigten und aktivierten Mikroglia identifiziert, welche alle nach vier Monaten komplett aktiv waren. Expressionsprofile der Netzhaut von Cln6ncl-Mäusen zeigten zudem eine erhöhte Expression von apoptotischen, inflammatorischen und aktiven Mikrogliamarkern.
Aufgrund der starken Aktivierung der Mikrogliazellen wurden Cln6nclf-Mäuse mit den immunmodulatorischen Substanzen Curcumin, Luteolin oder DHA behandelt. Ziel war es, die Mikrogliose zu verbessern und die Netzhautdegeneration zu mildern. Studien zeigten, dass 0,6% Curcumin, 0,6%Luteolin oder 5% DHA zu einer verbesserten Netzhautfunktion und einer besseren Sehschärfe führten. Ferner wurde bei Behandlung mit DHA der größte Erhalt von Photorezeptoren beobachtet. Alle Substanzen konnten die Aktivierung der Mikroglia abmildern, was durch die Anwesenheit von verzweigten Mikroglia in einem intakten Netzwerk belegt werden konnte. Jedoch hatten Curcumin und Luteolin keine Wirkung auf das retinale Expressionsprofil, während DHA die Expression von inflammatorischen und apoptotischen Marker reduzierte, aber auch und die Expresion der Mikrogliamarker hochregulierte.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Phänotyp von Cln6nclf-Mäusen mit einer Aktivierung von Mikroglia einhergeht. Diese konnte jedoch nicht bei Cln3Δex7-8-Mäusen beobachtet werden. Immunmodulatorische Substanzen waren bei Cln6nclf-Mäusen innerhalb eines gewissen Rahmens in der Lage, das Fortschreiten der Erkrankung abzumildern und die Aktivierung der Mikroglia einzugrenzen. Dies deutet darauf hin, dass sich die Beeinflussung der Mikrogliaaktivität positiv auf den Erhalt der Sehkraft auswirkt und dass die Neurodegeneration bei NCL-Patienten abgeschwächt werden kann. Schlussendlich kann die Überprüfung der Netzhautfunktion auch dazu dienen, den Fortschritt der Erkrankung zu überwachen und die Wirkung einer Therapie für NCL-Patienten zu beurteilen.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 01:47
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