Neuronal pathology in targeted cortical experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis

In den letzten Jahren ist zunehmend deutlich geworden, dass die Multiple Sklerose (MS) nicht nur eine Erkrankung der weißen Substanz des zentralen Nervensystems ist, sondern auch häufig und beträchtlich die graue Substanz in allen klinischen Verlaufsformen betrifft. Besonders die kortikale Pathologie mit entmarkten Läsionen wurde durch verbesserte immunhistochemische Färbetechniken und neuen magnetresonanztomographischen Verfahren ausführlicher untersucht. MS-Patienten leiden klinisch oft an körperlichen Beeinträchtigungen und neuropsychologischen Defiziten, welche die Lebensqualität beeinflussen. Diese Symptome wurden mit Läsionen in der grauen Substanz assoziiert. Mechanismen, die zu dieser Pathologie führen, müssen daher aufgeklärt werden um vorbeugende oder akute Behandlungen entwickeln zu können. Zur pathologischen Untersuchung der grauen Substanz werden angemessene Tiermodelle benötigt, welche die humane kortikale Pathologie wiederspiegeln. Das am häufigsten verwendete Tiermodell in MS-Studien ist die Experimentelle Autoimmune Enzephalomyelitis (EAE), die in ihrem ‘konventionellen’ Immunisierungsprotokoll nur selten den zerebralen Kortex betrifft. Ein EAE-Modell mit Einbezug des Kortex, das MS-Läsionen nachahmt, wurde in Ratten beschrieben. Hierzu wurden proinflammatorische Zytokine in eine vorbestimmte kortikale Region injiziert. Da spezifisch genveränderte Rattenstämme fehlen um die Mechanismen der Pathologie in der grauen Substanz zu untersuchen ist es notwendig das Tiermodell in Mäusen zu entwickelen. Das Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines kortikalen EAE-Mausmodells sowie dessen histopathologische Charakterisierung. Desweiteren wurde kortikales Gehirnmaterial von MS-Patienten im späten Krankheitsstadium auf dendritische Patholgie untersucht. Die kortikale EAE wurde in Myelin Oligodendrozyten Glykoprotein (MOG)-immunisierten BiozziABH (hohe Antikörper) und F1 Nachkommen, die aus BiozziABH und Mäusen mit einem C57BL6/J-Hintergrund generiert worden sind, durch die intrakortikale Injektion von TNF-α und IFN-γ induziert. Histologische Untersuchungen zeigten eine ausgedehnte subpiale Entmarkung und Entzündung im Kortex drei Tage nach der Zytokininjektion in der betroffenen Hirnhälfte. Die Entzündung ging innerhalb von drei Wochen fast vollständig zurück und entmarkte Regionen wiesen teilweise eine Remyelinisierung auf. Axone blieben in läsionalen Regionen erhalten und neuronaler Verlust wurde im Kortex nicht beobachtet. Desweiteren wurde eine Methode etabliert, die es erlaubt detailliert dendritische Pathologien in der Maus zu untersuchen. Kortex-enthaltenes Autopsiematerial von progressiven MS-Patienten mit langandauerndem Krankheitsverlauf zeigte einen Verlust von dendritischen Dornfortsätzen (Spines) in Neurone, die in den unteren korikalen Layern sowohl in chronisch entmarkten Läsionen als auch im umliegenden normal erscheinendem Gewebe der grauen Substanz lokalisiert waren. Im vorliegenden Projekt wurde ein kortikales EAE-Mausmodell entwickelt, das die humane MS-Pathologie der grauen Substanz in frühen Krankheitsstadien wiederspiegelt. Dieses Modell ist für Untersuchungen früher Mechanismen im entmarkten Kortex und für die Erprobung therapeutischer Behandlungen wie die Erhöhung der Remyelinisierung nützlich. Darüberhinaus wurde ein ausgedehnter Verlust dendritischer Dornfortsätze im zerebralen Kortex in chronischen MS-Patienten gezeigt, der auf oft beobachtete neuropsychologische Defizite zurückgeführt werden könnte

Oligodendroglia in cortical multiple sclerosis lesions decrease with disease progression, but regenerate after repeated experimental demyelination

Cerebral cortex shows a high endogenous propensity for remyelination. Yet, widespread subpial cortical demyelination (SCD) is a common feature in progressive multiple sclerosis (MS) and can already be found in early MS. In the present study, we compared oligodendroglial loss in SCD in early and chronic MS. Furthermore, we addressed in an experimental model whether repeated episodes of inflammatory SCD could alter oligodendroglial repopulation and subsequently lead to persistently demyelinated cortical lesions. NogoA+ mature oligodendrocytes and Olig2+ oligodendrocyte precursor cells were examined in SCD in patients with early and chronic MS, normal-appearing MS cortex, and control cortex as well as in the rat model of repeated targeted cortical experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). NogoA+ and Olig2+ cells were significantly reduced in SCD in patients with chronic, but not early MS. Repeated induction of SCD in rats resulted only in a transient loss of NogoA+, but not Olig2+ cells during the demyelination phase. This phase was followed by complete oligodendroglial repopulation and remyelination, even after four episodes of demyelination. Our data indicate efficient oligodendroglial repopulation in subpial cortical lesions in rats after repeated SCD that was similar to early, but not chronic MS cases. Accordingly, four cycles of experimental de- and remyelination were not sufficient to induce sustained remyelination failure as found in chronic cortical MS lesions. This suggests that alternative mechanisms contribute to oligodendrocyte depletion in chronic cortical demyelination in MS

Biomarker discovery and redundancy reduction towards classification using a multi-factorial MALDI-TOF MS T2DM mouse model dataset

Diabetes like many diseases and biological processes is not mono-causal. On the one hand multifactorial studies with complex experimental design are required for its comprehensive analysis. On the other hand, the data from these studies often include a substantial amount of redundancy such as proteins that are typically represented by a multitude of peptides. Coping simultaneously with both complexities (experimental and technological) makes data analysis a challenge for Bioinformatics

Reconstruction of single cortical projection neurons reveals primary spine loss in multiple sclerosis

See Friese (doi:10.1093/brain/awv349) for a scientific commentary on this article.Grey matter pathology has emerged as an important contributor to long-term disability in multiple sclerosis. To better understand where and how neuronal damage in the grey matter is initiated, we used high resolution confocal microscopy of Golgi-Cox impregnated tissue sections and reconstructed single cortical projection neurons in autopsies from eight patients with long-standing relapsing-remitting or secondary progressive multiple sclerosis and eight control patients without neurological disease. Analysis of several hundred individual neurons located in the insular, frontotemporal and occipital lobe revealed a widespread and pronounced loss of dendritic spines in multiple sclerosis cortex that occurs independent of cortical demyelination and axon loss. The presence of a primary synaptic pathology in the normal-appearing cortex of multiple sclerosis patients challenges current disease concepts and has important implications for our understanding of disease progression

Reconstruction of single cortical projection neurons reveals primary spine loss in multiple sclerosis

See Friese (doi: 10.1093/brain/awv349 ) for a scientific commentary on this article. Neuronal pathology contributes to long-term disability in multiple sclerosis, but where and how this damage is initiated is unclear. Jürgens et al. use high-resolution confocal microscopy to reconstruct single cortical neurons in patients with multiple sclerosis and controls. Results reveal a primary lesion-independent synaptic pathology that challenges current disease concepts

Late motor decline after accomplished remyelination: impact for progressive multiple sclerosis

To investigate the impact of single or repeated episodes of reversible demyelination on long-term locomotor performance and neuroaxonal integrity, and to analyze the myelin proteome after remyelination and during aging