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Titel: Die Rolle der Neuropeptide Calcitonin gene-related Peptide und Pituitary adenylate cyclase-activating Peptide im Superoxiddismutase 1 Mausmodell der amyotrophen Lateralsklerose
Autor: Ringer, Cornelia
Weitere Beteiligte: Schütz, Burkhard (Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0782
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-07820
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0782
DDC: 610 Medizin, Gesundheit
Titel(trans.): The role of the neuropeptides calcitonin gene-related peptide and pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide in the superoxide dismutase 1 mouse model of amyotrophic lateral sclerosis

Dokument

Schlagwörter:
Myatrophische Lateralsklerose, motorneurone disease

Zusammenfassung:
Bei der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) handelt es sich um eine tödlich verlaufende, neurodegenerative Erkrankung, für die bisher keine effektiven Therapiemöglichkeiten zur Verfügung stehen. Gekennzeichnet ist die ALS durch den Verlust der Motoneurone, der zur Denervierung der Muskulatur und letztendlich dem Tod durch Atemlähmung führt. Die molekularen Ursachen der ALS sind vielfältig und bis heute nur unzureichend aufgeklärt, aktuell stehen die Rolle der begleitenden Neuroinflammation und die molekularen Unterschiede zwischen ALS-vulnerablen und ALS-resistenen Motoneuronen im Zentrum der Forschung. Obwohl der neuroprotektive Einfluss verschiedener Neuropeptide in anderen neurodegenerativen Erkrankungen, Ischämie oder Axotomie lange bekannt ist, wurde deren Rolle bei der ALS bisher kaum untersucht. In der vorliegenden Arbeit sollte die Beteiligung der aussichtsreichsten Kandidaten Calcitonin gene-related Peptide (CGRP) und Pituitary adenylate cyclaseactivating Polypeptide (PACAP) am Krankheitsverlauf des SOD1G93A-Mausmodells der ALS aufgeklärt werden. Im Gegensatz zu Axotomie oder peripherer Inflammation war in somatomotorischen Neuronen keine Hochregulation der CGRP-Expression in ALS-kranken Mäusen zu beobachten. Doch traten beginnend am postnatalen Tag (P) 40 CGRP-immunoreaktive Vakuolen in den Neuriten auf, die im Zeitverlauf deutlich an Volumen zunahmen und nach der Degeneration der Motoneurone frei im Neuropil vorlagen. Diese Veränderung der CGRPImmunoreaktivität ging dem Einsetzen der klinischen Symptomatik an P90-100 deutlich voraus und war räumlich und zeitlich eng mit einer Aktivierung der Astrozyten assoziiert. Zudem traten die Vakuolen, ebenfalls beginnend an P40, in extramotorischen Arealen wie dem Hypothalamus und der Substantia nigra auf. Da auch bei ALS-Patienten Störungen nigraler und extramotorischer Funktionen beobachtet werden, ist diese Beobachtung im Mausmodell ein wichtiger Hinweis darauf, dass es sich bei der ALS nicht ausschließlich um eine Motoneuronen-, sondern eine Multisystemerkrankung mit unterschiedlichen Subtypen handeln könnte. Desweiteren wurde mit CGRP erstmalig ein Biomarker für vulnerable Motoneurone identifiziert. So konnte gezeigt werden, dass es einerseits Motoneurone ohne CGRP-Expression (nonCGRP) gibt und diese gegen die ALS-Pathologie resistent zu sein scheinen, während andererseits Motoneurone mit starker oder schwacher CGRP-Expression (high und lowCGRP) im Zeitverlauf der Erkrankung selektiv degenerieren, und zwar umso früher und umso stärker, je mehr CGRP sie exprimieren. Die bisher vorgenommene Abgrenzung der resistenten, oculomotorischen Nuclei von den vulnerablen motorischen Nuclei im Hirnstamm resultiert ebenfalls aus der CGRP-Expression, da nachgewiesen werden konnte, dass sich die oculomotorischen Kerne in der Mehrheit aus nonCGRP-Neuronen zusammensetzen, während stark vulnerable Kerne wie der Nucleus ambiguus hauptsächlich aus highCGRP-Motoneuronen bestehen. Während eine Deletion von αCGRP keinen Effekt auf den Krankheitsverlauf des SOD1G93A-Mausmodell hatte, resultierte die Deletion der CGRP-spezifischen Rezeptorkomponente Receptor activity modifying protein 1 (RAMP1) in einem früheren motorischen Krankheitsbeginn mit einem anschließend verlangsamten Verlauf der Symptomatik. Histopathologisch waren diese Veränderungen mit einer reduzierten Neuroinflammation, insbesondere einer geringeren Aktivierung der Astrozyten und einem Ausbleiben der Lymphozyteninfiltration assoziiert. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass CGRP in der ALS-Pathologie einen stimulierenden Einfluss auf die Neuroinflammation hat und diese zu Beginn der Erkrankung einen protektiven, später einen toxischen Effekt auf die Motoneurone ausübt. Im bereits erkrankten Patienten könnte der therapeutische Einsatz von CGRP-Antagonisten ebenfalls einen hemmenden Einfluss auf die neurotoxischen Komponenten der Neuroinflammation ausüben und somit die Krankheitsprogression verlangsamen. Während Motoneurone auf Axotomie mit einer starken Induktion der PACAP-Expression reagieren, war im Zuge der hier untersuchten ALS-Pathologie nur in wenigen Einzelneuronen eine Induktion des Neuropeptids zu beobachten. In früheren Studien an anderen neuronalen Erkrankungen bzw. Schädigungen wie Morbus Parkinson und Alzheimer, Ischämie oder Axotomie hatte PACAP grundsätzliche eine neuroprotektive Wirkung, ein Unterbinden der Signalkaskade sollte also in einem progressiveren Krankheitsverlauf resultieren. Entgegen dieser Erwartung verlängerte sich bei der Einkreuzung einer PACAP-Defizienz in das SOD1G93A-Mausmodell die durchschnittliche Lebenserwartung der Tiere jedoch um ca. 5,5%. Im Gegensatz zu anderen neurdegenerativen Erkrankungen scheint PACAP in der ALS also keinen protektiven Effekt auszuüben, sondern die Pathogenese zu beschleunigen. Histopathologisch war im Endstadium SOD1G94A-transgener Tiere unter der PACAP-Deletion eine amöbiode Morphologie der Mikroglia zu beobachten, während PACAP-kompetente Tiere bereits hypertrophe und degenerierende Mikroglia aufwiesen. Dies deutete auf eine geringere oder verzögerte Aktivierung der Mikroglia in PACAP-defizienten Tieren hin. Die damit einhergehende Reduktion der neurotoxischen Wirkung der Neuroinflammation könnte die Verzögerung des Krankheitsverlaufs erklären. Entsprechend besitzt auch im Falle von PACAP der Einsatz von Antagonisten ein therapeutisches Potential bezüglich einer Hemmung der Krankheitsprogression in der ALS-Pathogenese.

Summary:
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an adult-onset, neurodegenerative disease characterised by the selective loss of upper and lower motor neurones, resulting in progressive paralysis and death due to respiratory failure. Up to date no effective cure is available and the multifaceted molecular causes are poorly understood. In this context, two aspects are of special interest: first, the participation of neuroinflammatory processes in the genesis and progression of the disease and, second, molecular differences between motor neurons which are vulnerable or resistant to disease pathology, respectively. While the neuroprotective properties of various neuropeptides are well studied in Parkinson’s and Alzheimer’s disease as well as in ischemia and axotomy, but their role in ALS is not known. Therefore, the present study investigates the involvement of the two most promising candidates Calcitonin gene-related Peptide (CGRP) and Pituitary adenylate cyclaseactivating Polypeptide (PACAP) in the pathogenesis of the SOD1G93A mouse model of ALS. During ALS pathology no up-regulation of CGRP expression was observed in motor neurons of SOD1 transgenic mice. Instead, CGRP-immunoreactive vacuoles occurred in the neurites of brain stem motor neurons, starting at postnatal day (P) 40 and increasing in diameter with age. After degeneration of the motor neuron they become freely localized in the neuropil without any assignment to a cell type or compartment. These chances in CGRPimmunoreactivity clearly preceded the onset of clinical symptoms at P90-100 and showed a close spatiotemporal association with the activation of astroglia. Additionally, starting at P40 as well, CGRP-positive vacuoles appeared in other brain areas, e.g. hypothalamus and substantia nigra. Because some ALS patients show nigral or extra motoric deficits as well, these findings within the SOD1 mouse model are an additional strong hint for ALS being a multisystem disorder with different subtypes rather than a motor neuron specific disease. Furthermore, CGRP was identified as the first molecular biomarker for vulnerable motor neurones. Three different types of motor neurones were defined based on their CGRP expression level: neurons with high or low expression levels (high and lowCGRP), respectively, and neurons without CGRP expression (nonCGRP). NonCGRP motor neurons were found to be ALS resistant, whereas CGRP-expressing motor neurones were vulnerable, in a way that the higher their CGRP expression, the more prone to degenerate they were. The hitherto existing seperation of the resistant, extra ocular motor nuclei from other vulnerable motor nuclei in the brain stem also was based on CGRP expression. As an example, the oculomotor nucleus nearly exclusively consists of resistant nonCGRP motor neurons, whereas the highly vulnerable ambiguus nucleus is mostly build up by highCGRP motor neurons. Whereas a deletion of αCGRP had no effect on the time course of the disease in SOD1G93A mice, a deletion of the CGRP specific receptor component receptor affinity modifying protein 1 (RAMP1) resulted in an earlier onset of the motor dysfunctions, followed by a deceleration of disease progression. On the histological level, these changes were associated with a reduced neuroinflammation, most notably the absence of lymphocyte infiltration and a reduced astroglial activation. Therefore, the functional role of CGRP in ALS may be to activate and drive neuroinflammation and to stimulate lymphocyte infiltration into the brain parenchyma. Given the earlier disease onset but slower progression in RAMP1-deficient mice with lower extent of neuroinflammation, one could conclude that the neuroinflammation itself has a neuroprotective impact in early disease stages whereas in later stages, the effect changes to neurotoxic characteristics. Thus, in the already diseased ALS patient, application of CGRP antagonist may be a potent therapeutic strategy to reduce toxic components of the neuroinflammation and thereby slowing disease progression. PACAP was found not to be expressed to a significant extent in wildtype motor neurons. An induction of PACAP gene expression was only observed in a few single motor neurons in the ALS model studied here. But, in spite of these minimal changes , a depletion of PACAP in SOD1G93A mice resulted in an extension of life time of about 5,5%. Thus, in contrast to neurodegenerative disorders like Alzheimer’s and Parkinson’s disease or neuronal damage during axotomy or ischemia, PACAP seems so play a neurodestructive role during ALS pathology. On the histological level, a change in microglial number and morphology was observed, suggesting a different degree or later onset of activation in PACAP-deficient mice. This, in turn, may result in a reduction of the neurotoxic effects of the neuroinflammation in the late stage of the disease. Therefore, the use of antagonists against PACAP may exert some therapeutic potential as well.


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