Inflammatory mechanisms and their relation to demyelination and neurodegeneration in Multiple Sclerosis

Mikroglia repräsentieren die mononukleären Phagozyten des ZNS und spielen in der Homöostase des ZNS im Gesunden sowie im Kranken eine Rolle. Mikroglia/Makrophagen detektieren pathologische Geschehnisse und akkumulieren um inflammatorische oder vaskuläre Läsionen. Janus-artige Effekte werden ihnen im Rahmen von Pathologien zugeschrieben. Bis zum heutigen Zeitpunkt weiß man wenig über den Anteil und die Polarisation von Mikroglia und peripheren Makrophagen während der Entwicklung einer Läsion. In den letzten Jahren konnten mittels RNA-Sequenzierung weitreichende Erkenntnisse bzgl. Homöostase und Aktivierung von Mikroglia gewonnen werden. Diese führten zur Definition geeigneter Marker mittels derer die Eigenschaften von Mikroglia erforscht werden können. In einem ersten Ansatz zielten wir darauf ab die Reaktion von Mikroglia und Makrophagen auf Läsionen hingehend ihrer inflammatorischen und vaskulären Genese zu charakterisieren. Die Studien wurden ausgeführt mittels immunohistochemischen Techniken auf in Paraffin eingebetteten Autopsien, welche im Zentrum für Hirnforschung gesammelt wurden. Zusätzlich untersuchten wir die Aktivierung von Mikroglia in Reaktion auf Neurodegeneration. Wir konnten zeigen, dass in frühen Stadien der inflammatorischen und ischämischen Läsionen ein substantieller Anteil aus dem Mikrogliapool rekrutiert wird, während bei weiterer Läsionsprogression der Hauptanteil der Phagozyten von peripheren Makrophagen stammt. Der homöostatische Marker war unterschiedlich zwischen den Läsionen reguliert. Während in MS Läsionen der Marker komplett herunterreguliert wurde, war bei ischämischen Läsionen eine niedrige Expression vorhanden. Im Gegensatz zu Versuchstieren war bei humanen Kontrollhirnen ein partieller Verlust des Markers zu sehen. Die Polarisation zwischen den Krankheitsentitäten war sehr ähnlich. In den Anfangsstadien war eine starke Aufregulation des pro-inflammatorischen Profils sichtbar, welche später in einen intermediären Phänotyp, Co-Expression von pro- und antiinflammatorischen Markern, überging. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass Neurodegeneration zu einem Verlust des homöostatischen Markers führt. Obwohl über 100 Risikovarianten mit MS assoziiert wurden, kann die erbliche Komponente nur teilweise erklärt werden. Wir rekrutierten deswegen familiäre MS Fälle um Hochrisikovarianten identifizieren zu können. Anschließend testeten wir gefundene Varianten mittels Immunhistochemie auf humanen Autopsien. Durch Sequenzierung einer von MS betroffenen consanguinen Familie konnten wir eine seltene Variante im TPP2 Gen identifizieren und weiter zeigen, dass TPP2 in Makrophagen und Mikroglia in MS Läsionen aufreguliert wird. Zusammenfassend konnten wir wichtige Erkenntnisse zu den Eigenschaften von Mikroglia sowohl im Gesunden als auch bei pathologischen Ereignissen beisteuern, welche in Zukunft bei der Planung von klinischen und experimentellen Studien einbezogen werden können. Zusätzlich konnten wir mittels Next Generation Sequencing eine mögliche Hochrisikovariante für MS identifizieren, welche eventuell eine wichtige Rolle in der generellen Pathologie der MS spielt.Microglia represent the resident mononuclear phagocytes and are implicated in CNS homeostasis in health and disease. Microglia/macrophages are sensors for pathological CNS events and accumulate at sites of inflammatory or vascular lesions and are hypothesized to have a Janus face role in the disease process both detrimental and beneficial. However, knowledge about the polarization and contribution of microglia and peripheral macrophages during lesion formation is sparse in humans due to the absence of suitable markers. In the last couple of years, RNA sequencing revealed major insights into microglial homeostasis and activation and thereby elucidated targetable proteins for studying microglia properties. In a first approach, we aimed to provide an in-depth characterization of the microglia and macrophage response in brain lesions of inflammatory and vascular diseases of the human CNS. These studies were performed by immunohistochemistry on paraffin-embedded autopsy brains collected at Center for Brain Research. Additionally, we intended to study microglia activation with regard to neurodegeneration. In the process of lesion formation, we could demonstrate that in the early stages of ischemic and inflammatory lesions, a substantial number of phagocytes was derived from the microglia pool while during further lesion maturation the majority of phagocytes derive from recruited macrophages from the periphery. The homeostatic microglia marker P2RY12 was differentially regulated being completely lost in multiple sclerosis lesions while low expression was observed in ischemic lesions. In contrast to rodents, the homeostatic profile was already partially lost in human control patients. Lesion polarization was similar in these disease entities showing a pro-inflammatory profile in the early stages and transition to an intermediate phenotype (co-expressing pro and anti-inflammatory markers) over lesion maturation. Additionally, we could demonstrate that neurodegeneration leads to a loss of the homeostatic phenotype. Although over 100 common polymorphisms have been associated with multiple sclerosis, the heritability can only be partly explained. Therefore, we aimed to identify high risk variants by recruiting familial cases of MS. Once identified variants were further studied by immunohistochemistry on human autopsy brains. By sequencing of a consanguine family suffering from MS, we were able to identify a rare variant in the TPP2 gene and could further show that TPP2 is upregulated in microglia and macrophages in active MS lesions. In conclusion, our findings add valuable information on microglia participation in health and during pathological events in the CNS and will be considered in future clinical and experimental trials. Additionally, by next-generation sequencing, we provide a possible high-risk gene variant for multiple sclerosis, coding for a protein expressed in microglia/macrophages in active lesions, which might play a possible role in the general disease process.submitted by Tobias ZrvavyMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2017OeBB(VLID)236661