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Titel: Role of endosomal toll-like receptors in epilepsy
Autor: Sadangi, Chinmaya
Weitere Beteiligte: Schratt, G. (Prof. Dr.)
Veröffentlicht: 2017
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0462
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-04627
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0462
DDC: 610 Medizin, Gesundheit
Titel(trans.): Die Rolle endosomaler Till-like-Rezeptoren bei Epilepsie
Publikationsdatum: 2018-04-05
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
siRNA, toll-like receptors, Epilepsy, animal models of epilepsy

Summary:
Epilepsy is a common disorder affecting about 60 million people worldwide. The population of epilepsy patients who cannot achieve seizure freedom has remained stubbornly fixed at around 30% despite the introduction of new therapies in recent years. The only way to stop the development of epilepsy is to prevent an injury.  Epilepsy is caused by myriad factors and is characterized by recurrent and spontaneous seizures, increased mortality rate, and decreased social interaction and quality of life (Henshall et al. 2016). The harmful effects include disruption of the developmental process and neuronal degeneration (Yehezkel Ben-Ari and Holmes 2006). The most affected region due to epilepsy is the hippocampus, a part of the limbic system. There are no treatments that can prevent epilepsy; hence, there is a clear need for better anti-epileptic remedies. The Innate immune system acts as the first line of defense against foreign intruders (Akira 2003). Toll-like receptors (TLRs) are a part of the immune system and were first discovered in Drosophila melanogaster. TLRs are involved in early host defense against pathogens, and they recognize a pathogen- or damage-associated molecular pattern (PAMPs/DAMPs). TLRs can also identify phagocytes such as neutrophils, macrophages, and dendritic cells (Akira 2003). They play a role in innate immunity, and TLR signaling leads to inflammatory gene expression changes. The first report of TLRs in epilepsy was by Turrin and Rivest (Turrin and Rivest 2004). All studies related to TLRs in epilepsy have been confined to the cell surface TLRs, e.g., TLRs 2 and 4 (Maroso et al. 2010). TLRs 3, 7, and 9 are expressed intracellularly, whereas TLRs 1, 2, 4 are expressed on the cell surface. TLR3 recognizes double-stranded RNA (dsRNA) and is associated with viral infection. TLR7 recognizes single-stranded RNA virus. TLR9 recognizes unmethylated CpG DNA motifs, characteristics of DNA viruses, and prokaryotic genomes. TLR4 is most well-known for recognizing lipopolysaccharide (LPS), a component present in many bacteria. Only TLRs 2 and 4 have been implicated in both experimental and human epilepsy, and the endosomal TLRs (eTLRs) are yet to be studied. Our research group recently discovered, serendipitously, that mice lacking certain TLRs have spontaneous seizures. This information led us to hypothesize that TLR deficiency causes epilepsy.  This hypothesis was tested by determining: 1) which of these TLRs is/are responsible for epilepsy, and 2) whether TLR activation can prevent epilepsy.  In the thesis, I used two different animal models of epilepsy: a) perforant path stimulation (PPS), and b) systemic injection of kainate and lorazepam (KaL). I found that TLRs are upregulated in the hippocampus during epileptogenesis and chronic epilepsy phases, as validated in both animal models using qPCR. I found upregulation of mRNA in associated cytokines and chemokines. I also showed that the TLR proteins are upregulated during chronic epilepsy. Lastly, I knocked down the expression of TLRs 3 and 7, and found that TLR3/7 knockdown did not have any effect on seizure reduction. To summarize, this project revealed that the TLR mRNA and protein expression are upregulated during epileptogenesis and chronic epilepsy. Knocking down the TLRs using siRNA did not have any effect on the development of epilepsy or inactivation of spontaneous seizures. The originality of the work lies in the fact that we are, to the best of our knowledge, the first to use a phenotype-driven approach to elucidate the role of (as yet unexplored) TLRs in epilepsy.

Zusammenfassung:
Epilepsie ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen und betrifft ca. 60 Millionen Menschen weltweit. Trotz neuer Medikamente und Behandlungsmethoden der letzten Jahre kann bei 30% der Patienten keine Anfallsfreiheit erreicht werden. Die Auslöser für die Entstehung einer Epilepsie sind vielfältig, bislang können jedoch nur bereits manifeste Epilepsien erkannt werden. Epilepsien sind durch wiederkehrende, spontane Anfälle gekennzeichnet und führen zu erhöhter Mortalitätsrate, eingeschränkter Lebensqualität und Sozialleben (Henshall et al. 2016). Weiterhin gehören Entwicklungsstörungen und neuronale Degeneration zu den Symptomen (Yehezkel Ben-Ari and Holmes 2006). Der Hippokampus, ein Teil des limbischen Systems, ist die am häufigsten bei Epilepsie betroffene Hirnstruktur. Bisher sind keine Verfahren bekannt, die die Entstehung einer Epilepsie (Epileptogenese) erkennen oder verhindern können, deshalb besteht weiterhin großer Forschungsbedarf zur Pathogenese. Das angeborene Immunsystem bildet die erste Abwehrlinie gegen eingedrungene Pathogene (Akira 2003). Toll-like-Rezeptoren (TLRs) gehören zum angeborenen Immunsystem und wurden zuerst in Drosophila melanogaster entdeckt. TLRs erkennen als Teil des angeborenen Immunsystems frühzeitig pathogen- oder schadens-assoziierte molekulare Strukturen (PAMPs/DAMPs) und können auch Phagozyten wie Neutrophile, Makrophagen und dendritische Zellen erkennen (Akira 2003). Die Aktivierung der TLR-Signalwege führt zu veränderten Genexpressionen verschiedener Entzündungsreaktionen. Im Zusammenhang mit Epilepsien wurden TLRs zuerst 2004 beschrieben (Turrin and Rivest 2004). Bei den bisher dabei beschriebenen TLRs handelt es sich ausschließlich um TLRs an der Zelloberfläche (z.B. TLRs 2, 4 ) (Maroso et al. 2010). TLRs 3, 7 und 9 werden intrazellulär exprimiert, TLRs 1, 2, und 4 dagegen an der Zelloberfläche. TLR3 erkennt doppelsträngige DNA (dsDNA), TLR7 einzelsträngige DNA (ssDNA) jeweils im Rahmen der viralen Abwehr. TLR9 erkennt für DNA-Viren und Prokaryotengenome typische, unmethylierte CpG-DNA-Motive. TLR4 ist bestens für die Erkennung von Lipopolysacchariden (LPS) in Bakterien bekannt. Nur TLR2 und 4 wurden im Zusammenhang mit Epilepsie sowohl im Experiment als auch in Patienten erwähnt. Endosomale TLRs (eTLRs) dagegen sind weitestgehend unbeschrieben. Mäuse, denen bestimmte TLRs fehlen, zeigten im Labor epilepsie-typisch spontane Anfälle. Ein Zusammenhang zwischen fehlenden TLRs und Epilepsie ist anzunehmen. Deshalb sollten im Rahmen dieser Arbeit folgende Fragen geprüft werden: 1. Welche TLRs sind für die Epilepsie verantwortlich? 2. Kann die Aktivierung von TLRs eine Epilepsie verhindern? Es wurden zwei Tiermodelle der hippokampalen Epilepsie verwendet: 1. Stimulation des Tractus perforans (PPS) 2. Systemische Injektion von Kainat und Lorazepam (KaL) Eine Hochregulation von TLR-mRNAs im Hippokampus konnte in der Epileptogenese und der manifesten Epilepsie durch qPCR-Messungen in beiden Modellen gezeigt werden. Die mRNAs assoziierter Zytokine und Chemokine waren ebenfalls hochreguliert. Erhöhte TLR-Proteinkonzentrationen konnten während der manifesten Epilepsie gezeigt werden. Ein Knock-down der Expression von TLR 3/7 hatte keinen Einfluss auf eine Anfalls-Reduktion. Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit Änderungen der TLR-mRNA- und Protein-Expression während der Epileptogenese und der manifesten Epilepsie gezeigt werden. Ein Knock-down mittels siRNA konnte weder die Epileptogenese, noch das Auftreten spontaner Anfälle verhindern. Da die Zusammenhänge von eTLRs und Epilepsie weitestgehend ungeklärt sind, bieten sich hier viele Möglichkeiten für weitere Untersuchungen, die eine Erkennung und Behandlung der Epileptogenese zum Ziel haben.

Bibliographie / References

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  6. This work was supported by grants from the European Commission (FP7602130, B.


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