Blood-CNS barriers in neurodegenerative diseases

The blood-brain barrier (BBB) and the blood-spinal cord barrier (BSCB) separate the brain and the spinal cord from the circulating blood and are important for the maintenance of the CNS homeostasis. They build a physical barrier thereby protecting the CNS from pathogens and toxic agents, and their disruption plays a crucial role in the pathogenesis of several CNS disorders. In this thesis, the blood-CNS-barriers were studied via in vitro models in two case studies for neurodegenerative disorders, in particular Alzheimer’s disease (AD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The first model evaluates treatment possibilities of AD using nanotechnology-based strategies. Since the toxic amyloid-β42 (Aβ42) peptide plays a crucial role in the pathogenesis of AD, reduced generation or enhanced clearance of Aβ42 peptides are expected to modify the disease course in AD. Therefore, several Aβ42-lowering drugs like flurbiprofen had been tested in clinical trials, but most of them failed due to their low brain penetration. Here, flurbiprofen was embedded in polylactide (PLA) nanoparticles and its transport was examined in an in vitro BBB model. The embedding of flurbiprofen into the nanoparticles disguised its cytotoxic potential and enabled the administration of higher drug concentrations which resulted in a sufficient transport of the drug across an endothelial cell monolayer. These results demonstrate that non-permeable drugs can be transported efficiently via nanoparticles and that these nanotechnology-based strategies are a promising tool to generate novel therapeutic options for AD and other CNS diseases. rnThe focus of the second project was to investigate the impaired integrity of the BSCB in a mouse model for ALS. About 20% of all familial ALS cases are associated with missense mutations or small deletions in the gene that encodes Cu/Zn-superoxide dismutase 1 (SOD1). To date, the molecular mechanisms resulting in ALS are still unknown, but there is evidence that the disruption of the BSCB is one of the primary pathological events. In both familial and sporadic ALS patients, loss of endothelial integrity and endothelial cell damage was observed, and studies with SOD1 transgenic mice demonstrated that the BSCB disruption was found prior to motor neuron degeneration and neurovascular inflammation. Thus, an in vitro model for ALS endothelial cells was generated which exhibited comparable integrity characteristics and tight junction (TJ) protein expression profiles as isolated primary endothelial cells of the BSCB of SOD1 transgenic mice. In this, an alteration of the βcat/AKT/FoxO1 pathway, which regulates the expression of the TJ protein claudin-5, could be observed. These data furthermore indicate that ALS is a neurovascular disease, and understanding of the primary events in ALS pathogenesis will hopefully provide ideas for the development of new therapeutic strategies. rnDie Blut-Hirn Schranke („blood-brain barrier“, BBB) und die Blut-Rückenmark Schranke („blood-spinal cord barrier“, BSCB) bilden eine physiologische Barriere zwischen dem Blut und dem zentralen Nervensystem (ZNS). Sie schützen das ZNS vor Pathogenen und toxischen Substanzen und sind für die ZNS Homöostase essentiell, weshalb Störungen oder der Verlust ihrer Integrität eine entscheidende Rolle bei neurodegenerativen Erkrankungen spielt. In dieser Arbeit wurden mit Hilfe von in vitro Modellen die Blut-ZNS Schranken anhand zweier Fallstudien für neurodegenerative Erkrankungen untersucht: Morbus Alzheimer („Alzheimer’s disease“, AD) und Amyotrophe Lateral Sklerose (ALS). Im ersten Modell wurden mögliche Therapieansätze für AD mittels Nanotechnologie-basierender Strategien untersucht. Bei der Pathogenese spielt das Amyloid-β42 (Aβ42) Peptid eine entscheidende Rolle und es wird angenommen, dass sowohl eine reduzierte Generierung als auch eine gesteigerte Eliminierung der Aβ42 Peptide und Plaques den Krankheitsverlauf beeinflussen. Daher wurden bisher einige Aβ42-senkende Substanzen wie z.B. Flurbiprofen in klinischen Studien getestet; allerdings ohne Erfolg, da die meisten Substanzen nicht ins Gehirn gelangten. Hier wurden Polymilchsäure („Polylactide“, PLA) Nanopartikel mit Flurbiprofen beladen und ihr Transport in einem in vitro BBB Model getestet. Durch die Einbettung in Nanopartikel wurde die Zytotoxizität von Flurbiprofen aufgehoben, und dadurch konnten höhere Konzentrationen von Flurbiprofen eingesetzt werden, welches wiederum im effizienten Transport der Substanz über die Endothelzellen resultierte. Diese Ergebnisse zeigen, dass nicht-permeable Substanzen mit Hilfe von Nanopartikeln effizient transportiert werden können, und dass diese Nanotechnologie-basierenden Strategien vielversprechende und neue therapeutische Ansätze für AD und andere ZNS Erkrankungen liefern können.rnIm zweiten Projekt wurde die beeinträchtigte Integrität der BSCB eines Mausmodells für ALS untersucht. 20% aller familiären ALS Fälle sind mit Punktmutationen oder Deletionen mit dem Gen assoziiert, dass die Cu/Zn-Superoxid-Dismutase 1 (SOD1) kodiert. Die Ursache für ALS ist bis heute unbekannt, allerdings gibt es viele Hinweise, dass die funktionelle Störung der BSCB eins der primären pathologischen Ereignisse ist. Sowohl in familiären als auch sporadischen ALS Fällen konnten Schäden der Endothelzellen und ein Verlust deren Integrität festgestellt werden. Studien in einem transgenen Mausmodell mit humaner SOD1 zeigten, dass der Zusammenbruch der BSCB bereits vor der Degeneration der Motoneurone und der neurovaskulären Inflammation festgestellt werden kann. Daher wurde hier ein in vitro Modell der ALS Endothelzellen hergestellt, welches vergleichbare Eigenschaften bezüglich der Integrität und „tight junction“ (TJ) Expression wie isolierte primäre Endothelzellen der BSCB von transgenen SOD1 Mäusen zeigt. Weiterhin konnten Veränderungen im βcat/AKT/FoxO1 Signalweg, der die Expression des TJ Proteins Claudin-5 reguliert, festgestellt werden. Diese und auch die Ergebnisse anderer Gruppen weisen darauf hin, dass ALS eine neurovaskuläre Erkrankung ist. Das Verständnis der primären pathologischen Ereignisse führt in Zukunft hoffentlich dazu, dass neue therapeutische Ansätze für die Behandlung von ALS entwickelt werden können.r