Mechanismen der Schädigung und der gestörten Regeneration im entzündeten zentralen Nervensystem

Abstract

Schädigungen im zentralen Nervensystem treten nicht nur bei der Multiplen Sklerose (MS), sondern auch bei einer Vielzahl weiterer entzündlicher Schadensparadigmen auf. Allgemeines Kennzeichen dieser primär wie auch sekundär entzündlichen neurodegenerativen Erkrankungen ist das Auftreten von oxidativem Stress in Verbindung mit einer eingeschränkten Regeneration von Nervenzellen und einem übermäßiges Auftreten von Astrozyten. Allerdings ist bislang nicht bekannt, welche Faktoren für eine frühe neuronale Schädigung verantwortlich sind, und welche Faktoren zu einem übermäßigen Auftreten von Astrozyten beitragen. Vorarbeiten belegten, dass Apoptose-regulierende Systeme, wie z.B. der TRAIL-Signalweg, sowohl an der Immunregulation als auch an Schädigungsprozessen im Gehirn beteiligt sein können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine auf das ZNS beschränkte Blockade des TRAIL-Signalwegs in der EAE, dem Tiermodell der MS, zu einer signifikanten Verminderung des Erkrankungsgrades führte. Darüber hinaus wurde eine reduzierte Enzephalitogenität von TRAIL-defiziente Myelin-spezifischen Lymphozyten belegt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der TRAIL-vermittelte Schädigungsmechanismus die Pathogenese der Neuroinflammation entscheidend mitbestimmt und die immunregulatorische Wirkung eine eher untergeordnete Rolle spielt. Dagegen stellte sich im Tiermodell der bakteriellen Meningitis heraus, dass TRAIL hier eine anti-inflammatorische Rolle im ZNS spielt, die vor allem durch eine TRAIL-R-abhängige apoptotische Minderung der Entzündungsreaktion vermittelt wird. Eine Beeinflussung der Migration von Effektorzellen durch TRAIL konnte in diesem Modell ausgeschlossen werden. Anscheinend hängt die therapeutische Modulation des TRAIL-Systems entscheidend von der jeweils zu Grunde liegenden Ätiopathogenese ab und kann nicht allgemein auf entzündliche ZNS-Erkrankungen übertragen werden. Als mögliche Ursache für eine verminderte Regenerationsfähigkeit endogener Stammzellen konnte hier ein endogener Mechanismus aufgedeckt werden, der als Antwort auf oxidativen Stress zu einem quantitativen Überwiegen von Astrozyten führt. Dabei zeigte sich, dass nicht toxische oxidative Bedingungen das Proliferationsvermögen von neuralen Stammzellen deutlich hemmten und dazu führten, dass anstelle von Neuronen vornehmlich Astrozyten entstehen. Dieses veränderte Differenzierungsvermögen ließ sich sowohl in vitro als auch in vivo experimentell nachvollziehen und wies darauf hin, dass durch milde Entzündungsprozesse hervorgerufene basale metabolische Veränderungen die neuronale und astrogliale Entwicklung aus neuralen Stammzellen reziprok reguliert wird. In weiteren Untersuchungen stellte sich heraus, dass die Histondeacetylase Sirt1 in neuralen Stammzellen als Sensor für das Redox-Potenzial dient. Schon geringe metabolische Änderungen induzierten die Bindung an den bHLH-Transkriptionsfaktor Hes1, die zu einer direkten Modulation des pro-neuronalen Transkriptionsfaktors Mash1 führten und die Differenzierung von neuralen Stammzellen zugunsten der astroglialen Entwicklung beeinflussten. Die Aufklärung dieses Mechanismus könnte somit zukünftig helfen, intrinsische Regenerationsprozesse nach Schädigung des ZNS zu verstärken und damit neue therapeutische Perspektiven bei neurologischen Erkrankungen zu öffnen.Damage processes of the central nervous system (CNS) are not only found in Multiple sclerosis (MS) even in a variety of inflammatory diseases. A common feature of these inflammatory neurodegenerative disorders is the existence of oxidative stress in combination with a failure of neuronal replenishment and the predominant occurrence of astrocytes (known as astrogliosis). So far, factors, which are responsible for early neuronal damage and overwhelming generation of astrocytes, are not known. Recent studies could show that the tumor necrosis factor related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) might be involved in immunregulation as well as damage processes in the CNS. Here, it could be shown that blockade of TRAIL in the CNS of animals suffering from experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) significantly ameliorates the disease. Furthermore, transfer of myelin-specific TRAIL-deficient T cells into wild type recipients lead to a significantly attenuated disease score. These findings underline the contribution of TRAIL to irreversible CNS damage. In the adult mammalian brain, multipotent and self-renewing neural progenitor cells (NPCs) have the capacity to generate new neurons, astrocytes and oligodendrocytes. NPCs may thus serve as a regenerative tool by which brain damage could be compensated. However, repair processes in response to all forms of neuronal injury, be they inflammatory, ischemic, metabolic, traumatic or other, are characterized by the failure of neuronal replenishment and the predominant occurrence of astrocytes. The common molecular pathways underlying this phenomenon are only poorly understood. Here, it could be shown that subtle alterations of the redox state, found in different brain damage scenarios, substantially regulate the fate of murine NPCs via the histone deacetylase silent mating type information regulation 2 homolog 1 (Sirt1). Mild oxidative conditions suppress proliferation of NPCs and direct their differentiation towards the astroglial at the expense of the neuronal lineage (and vice versa). Under oxidative conditions, NPCs upregulate Sirt1 in vitro and in vivo, which then binds to the transcriptional repressor Hes1 and finally downregulates the pro-neuronal basic helix-loop-helix transcription factor Mash1. Furthermore, it could be shown that targeted modulation of Sirt1 activity mimics the effects of subtle redox alterations. The results provide evidence for an as yet unknown metabolic master switch, which determines the fate of NPCs. Targeting these mechanisms may minimize undesired aspects of reactive astrogliosis as well as improve the success of therapeutic neural stem cell implantation