Characteristics of inflammation and resolution in anatomical compartments of the spinal cord after induction of sterile inflammation

Andauernde Inflammation im Myelon nach Rückenmarkverletzung (spinal cord injury - SCI) trägt einen relevanten Anteil am Sekundärschaden des Gewebes jenseits des ursprünglichen Schadens. Experimentelle Studien beschrieben ein sog. Resolutionsdefizit nach SCI. Für die hieraus resultierenden Schadensprozesse sind zudem innerhalb des Rückenmarks entsprechend den in Vaskularisierung und Metabolismus verschiedenen anatomischen Kompartimenten unterschiedliche Verläufe anzunehmen. Darüber hinaus ist mit dem SCI-induced- Immune Deficiency Syndrom (SCI-IDS) ein Mechanismus der läsionshöhenabhängigen Auswirkung der SCI auf systemische und lokale inflammatorische Prozesse beschrieben worden. Erwachsene Lewis Ratten wurden auf Wirbelkörper Th9 oder Th3 einer Laminektomie über ein Segment unterzogen. Stereotaktisch erfolgte dann die kalibrierte Injektion einer Zymosan A – Lösung über eine Mikropipette zur Inflammationsinduktion in entweder die weiße (AL) oder die graue Substanz (GR). Zu definierten Zeitpunkten, von 24 Stunden bis 12 Wochen nach der Injektion, erfolgte die Tötung und Gewebeentnahme zur histologischen Aufarbeitung. Neben einer Vermessung der Läsion wurden zur Analyse der wichtigsten Zellpopulationen der Inflammation immunhistochemische MPO, CD68, CD43, CD3 und GFAP – Färbungen an transversalen Schnitten durchgeführt und die Zellen quantitativ zur statistischen Analyse und der Berechnung von Resolutionsindices erfasst. Insgesamt wurden n=146 Tiere eingeschlossen. Ein Unterschied in der Läsionsgröße zwischen den Gruppen war nicht festzustellen. Auf Höhe Th9 und Th3 zeigte sich kein Unterschied der Kinetik der MPO+ Zellen. Für die CD68+ Zellen auf Höhe Th9 zeigte sich im Vergleich zwischen den Gruppen GR und AL ein signifikanter Unterschied 24h nach Injektion mit höheren Zellzahlen in der GR-Gruppe und zwölf Wochen nach der Injektion mit signifikant niedrigen Zahlen in der GR bei stark unterschiedlichen Resolutionsplateaus (AL: RP=58,9% / GR: RP=20,9%). CD43+ Zellen sowie CD3+ zeigten zwischen den Gruppen keine Unterschiede. GFAP+ Zellen waren sieben Tage und 12 Wochen nach der Injektion in der GR- gegenüber der AL-Gruppe signifikant erhöht. Der Vergleich der Kinetiken zwischen Th9 und Th3 war aufgrund methodischer Einschränkungen nur unzureichend durchführbar. Diskussion Zwischen grauer und weißer Substanz gibt es für Makrophagen/Mikroglia, und Astrozyten unterschiedliche Inflammations- bzw. Resolutionskinetiken mit deutlich effektiverer Resolution in der GR für Makrophagen. Dies könnte mit Unterschieden in der Dichte der Vaskularisation, Zellinflux über den Zentralkanal und Charakteristika der Blut-Rückenmark- Schranke zu erklären sein. Astrozyten könnten in diesem Zusammenhang möglicherweise neuroprotektive Funktion besitzen. Neben einer sorgfältigen Aufschlüsselung der Inflammation im Zeitverlauf lässt sich aus der vorliegenden Arbeit ein Hinweis auf eine Differenzierung von Inflammation und Resolution in Abhängigkeit von anatomischen Kompartimenten sehen. Zellspezifische Subgruppen sollten identifiziert und das Resolutionsdefizit auf klinische Relevanz überprüft werden.Ongoing Inflammation within the myelon after Spinal Cord Injury (SCI) contributes to secondary damage beyond inital injury. Experimental data suggest a resolution deficit of spinal cord inflammation, that may contribute to sustained injury progression and impede recovery. Additionally, different kinetics in secondary damage processes regarding anatomical locations have been described. Furthermore, the SCI-induced-Immune Deficiency Syndrom (SCI- IDS) suggests impact on inflammatory processes dependant on lesion height. Adult Lewis rats underwent single-level laminectomy and subsequently stereotactic intraspinal injection of zymosan via glass micropipettes into either white (AL) or grey (GR) matter at level th9 or th3. At pre-specified timepoints ranging from 24 hours to 12 weeks after injections, animals were sacrificed and spinal cords were fixed and embedded. Lesion diameter in serial coronar slices was identified and immunohistological staining of MPO, CD68, CD43, CD3 und GFAP representing dominant inflammatory cell populations was conducted. Statistical analysis was performed and calculation of indices of resolution was calculated assuming half-life kinetics. n=146 animals were included in this study. Lesion size did not differ between groups. Kinetics of MPO+ cells did not show major differences between AL and GR-groups at either th9 or th3. CD68+ cells at level th9 showed significant differences in cell count at 24h post injection with higher numbers in GR-group and with significant lower numbers twelve weeks post injection, resulting in highly different resolution plateaus (AL: RP=58,9% / GR: RP=20,9%). No differences were observed in CD43+ and CD3+ cells. GFAP+ cells were significantly higher in GR lesions compared to AL at both seven days and twelve weeks post injection. Comparison between th9 and th3 proved to be difficult as included numbers at level th3 were low. Differences between white and grey matter lesions regarding inflammation and resolution were observed for macrophages/microglia and astrocytes. The grey matter showed to resolve macrophages/microglia more effectively. Neuroanatomical properties like density of vascular structures, cell migration via the central canal, and differences in blood-spinal-cord barrier may contribute. Probably, also astrocytes might be associated with faster resolution. Subtle differences between th9 and th3 might as well be explained by the arterial watershed of the upper thoracic spine and BSCB-permeability. Conclusion This study suggests, that precise understanding of inflammation and resolution might not only be necessary regarding time course, but also regarding its anatomical compartments. Still, subgroups of inflammatory cells need to be identified and the impact of the specific resolution deficit on clinical outcome should be measured