Role of metabotropic glutamate receptors in animal models of multiple sclerosis and therapeutic perspectives for patients with multiple sclerosis

La Sclerosi Multipla (SM) è una malattia autoimmune/infiammatoria del Sistema Nervoso Centrale (SNC), in cui sono coinvolte sia cellule del sistema immunitario che cellule residenti del SNC. L'encefalomielite autoimmune sperimentale (EAE) rappresenta un modello animale di SM e può essere indotta in ceppi di roditori suscettibili tramite immunizzazione con autoantigeni di mielina. Nel corso di EAE, linfociti T autoaggressivi migrano nel SNC, dove danno luogo a danno tissutale. Aumentati livelli di glutammato, il principale neurotrasmettitore del SNC, contribuiscono alla degenerazione degli oligodendrociti responsabile della demielinizzazione e del danno assonale. Il glutammato agisce su due classi di recettori: i recettori ionotropici (iGlu) e i recettori metabotropici (mGlu). I recettori iGlu mediano la normale neurotrasmissione glutamatergica, mentre i recettori mGlu svolgono un ruolo modulatorio regolando il rilascio presinaptico di glutammato. I recettori mGlu sono espressi sia dai neuroni che dalle cellule gliali. In particolare, i recettori mGlu localizzati su astrociti e microglia residenti nel SNC, svolgono un ruolo importante nel controllo dei processi neurodegenerativi. Durante i processi neuroinfiammatori, astrociti e microglia vanno incontro ad attivazione e produzione di fattori solubili in grado di esercitare sia effetti neuroprotettivi che effetti neurotossici, quali fattori neurotrofici, citochine e chemiochine. Citochine e chemiochine prodotte dalle cellule gliali residenti giocano un ruolo primario nella neuroinfiammazione e forniscono quindi dei potenziali bersagli per interventi farmacologici. Quindi una via alternativa per modulare i processi neurodegenerativi/neuroinfiammatori potrebbe consistere nell'identificazione di recettori di membrana in grado di controllare la produzione di mediatori solubili dell'infiammazione. I recettori mGlu racchiudono queste potenzialità perché essi controllano i livelli sinaptici di glutammato e inducono la sintesi di fattori neurotrofici, che nella SM potrebbero esercitare effetti protettivi sui neuroni e sugli oligodendrociti degeneranti. Nei processi neuroinfiammatori, oltre alle cellule residenti nel SNC, un ruolo centrale è giocato da cellule dendritiche (DC) infiltrate, le più potenti cellule presentanti antigene, capaci di attivare i linfociti T helper (Th) naive che nell'autoimmunità diventano capaci di presentare antigeni self contribuendo all'induzione della malattia e al danno cellulare. La DC stessa gioca anche un ruolo critico nell'induzione e nel mantenimento di tolleranza verso antigeni self. In particolare, le DC plasmacitoidi (pDC) sono in grado di dirigere verso l'immunità o la tolleranza, a seconda dei segnali ricevuti. Non solo le pDC sono dotate di proprietà tollerogeniche, ma anche sottopopolazioni specializzate di linfociti T possono svolgere un ruolo primario di immunoregolazione. Tra queste, le cellule Treg distribuite ampiamente in tutto l'organismo, secernono mediatori antinfiammatori e down-regolano risposte effettrici di cellule Th. Quantunque non siano attualmente disponibili informazioni sull'espressione di recettori mGlu sulle DC, è stato dimostrato che queste cellule possono liberare alti livelli di glutammato per mezzo di un antiporto cistina/glutammato. I nostri dati indicano che le DC murine ed in particolare le pDC esprimono alti livelli di recettori mGlu4 e che l'espressione mGlu può essere selettivamente modulata in risposta a segnali stimolatori o tollerogenici. L'induzione della tolleranza verso antigeni “self” è uno dei principali obiettivi nell’ immunoterapia per la sclerosi multipla (SM). Recenti evidenze indicano che la produzione periferica di cellule T regolatorie, (Tregs) anti-infiammatorie CD4+ Foxp3+, e di cellule CD4 T helper (Th17) che producono IL17 hanno un ruolo antagonista nella patogenesi della SM. In questo lavoro è stato dimostrato che la somministrazione ripetuta del modulatore allosterico positivo per il recettore mGlu4, PHCCC, è in grado di sopprimere lo sviluppo dell’ encefalomielite autoimmune sperimentale (EAE) in topi immunizzati con l'antigene della mielina, MOG. Anche se nessuna induzione di apoptosi di cellule T CD4 + è stata osservata nella milza di topi trattati con PHCCC, abbiamo trovato che il trattamento PHCCC è in grado di modulare l'equilibrio immunitario attraverso la promozione di una grande espansione delle cellule Treg CD4+/Foxp3+ e la produzione di TGF-, inibendo la polarizzazione verso il fenotipo Th17 e abrogado la proliferazione delle popolazioni di cellule presentanti l’antigene DC. Studi in vitro su co-culture di cellule DC-T hanno messo in evidenza la capacità del PHCCC sopprimere la proliferazione delle cellule T reattive contro il MOG, in tramite la produzione di citochine pro-infiammatorie, e una maggiore proliferazione delle cellule T CD4+ CD25+. Questi dati mostrano un nuovo meccanismo in cui l'attivazione dei recettori mGlu4 risulta in grado di modulare il sistema immunitario e di avere un ruolo protettivo nelle malattie autoimmuni, come l’ EAE/MS.Multiple Sclerosis (MS) is an autoimmune/inflammatory disease of the Central Nervous System (CNS), in which both cells of the immune system and resident cells of CNS are directly implicated. Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) is a widely accepted animal model of MS that can be induced in susceptible rodent strains by active immunization with myelin self antigens. During EAE, auto-aggressive myelin-reactive T lymphocytes migrate in the CNS, where they recognize their cognate target antigen and initiate an inflammatory cascade leading to tissue damage. In MS increased levels of glutamate, the major excitatory neurotransmitter of the CNS, contribute to oligodendrocyte degeneration leading to demyelination and axonal damage. Glutamate acts on ionotropic (iGlu) and metabotropic (mGlu) receptors. IGlu receptors mediate glutamatergic neurotransmission, whereas mGlu receptors exert a modulatory role by regulating presynaptic glutamate release. mGlu receptors are expressed both on neurons and glial cells. In particular, mGlu receptors localized on CNS resident astrocytes and microglia play a fundamental role in the control of neurodegeneration. During neuroinflammation, astrocytes and microglia undergo activation and produce soluble factors, which exert both neuroprotective and neurotoxic effects, such as neurotrophic factors, cytokines and chemokines. Cytokines and chemokines produced by resident glial cells, play a major role in neuroinflammation and therefore they may provide potential sites for pharmacological intervention. Therefore an alternative way to modulate the neurodegenerative/neuroinflammatory process could be the identification of membrane receptors able both to confer neuroprotection and to control the production of soluble inflammatory mediators. MGlu receptors cater this potential because they control synaptic glutamate levels and induce the synthesis of neurotrophic factors, which in MS could exert protective effects on degenerating neurons and oligodendrocytes. In neuroinflammation, other than CNS resident cells, a central role is played by infiltrating dendritic cells (DCs), the most potent antigen presenting cells capable of presenting the antigen to and activating naïve T helper (Th)lymphocytes, leading in autoimmunity to organ destruction and induction of the disease. DCs play also a critical role in the induction and maintenance of tolerance towards self antigens. In particular, plasmacytoid DCs (pDCs), a recently described DC population in both humans and mice, display a highly plastic functionalphenotype capable to direct immunity or tolerance, depending on the signals received. It is now clear that not only pDCs are endowed with tolerogenic activities, but also specialized subpopulation of T lymphocytes can play a major role in controlling immune responses. Among these, Treg are distributed throughout the body to regulate excessive inflammatory responses and eventual recognition of self antigens by effector Th cells. Although no information is currently available for the expression of mGlu receptors in DCs, it has been clearly demonstrated that these cells can release high levels of glutamate through a cystine/glutamate antiporter. Interestingly, our data indicate that mouse DCs, and in particular pDCs, do express high levels of mGlu4 and that the expression of mGlu receptors can be selectively modulated in response to either stimulatory or tolerogenic signals. The induction of tolerance to self-proteins continues to be a goal of multiple sclerosis (MS) immunotherapy. Recent evidence indicates that peripherally generated anti-inflammatory CD4+Foxp3+ regulatory T cells (Tregs) and IL17-producing CD4+ T helper cells (Th17) play antagonistic roles in the pathogenesis of MS. We found that repeated administration of the selective mGlu4 receptor enhancer, PHCCC, prevented the development of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) in mice immunized with the myelin antigen, MOG. Although no induction of apoptosis was seen in CD4+ T cells in the spleens of PHCCC-treated mice, we found that PHCCC treatment modulated the immune balance by promoting a large expansion of CD4+/Foxp3+ Treg cells, producing TGF-, inhibiting Th17 polarization and abrogating the proliferation of antigen-presentingDC populations. Tissue DC-T-cell co-culture assays demonstrated that PHCCC in vitro downregulated MOG-specific T cell proliferation, largely attenuated the T-cell mediated production of pro-inflammatory cytokines, and increased proliferation of CD4+CD25+ T cells. Tese data unravel a novel mechanism whereby activation of mGlu4 receptors modulate the immune system and is protective against autoimmune disorder, including EAE/MS.Dottorato di ricerca in Scienze per la salute (XXIII ciclo