Microglial properties in health and disease: Modulation of microglial phagocytic activity and migration by monoamine neurotransmitters or presence of amyloid beta peptides

Abstract

Microglia are the immune cells of the brain and are involved in developmental as well as regenerative processes of the brain. As being part of the immune system they survey their surroundings by constant process extension and retraction for any insult and can act as phagocytes engulfing cellular debris and pathological invaders of the brain. In this project I studied the phagocytic activity as well as process motility 1\. upon stimulation with different monoamine neurotransmitters like serotonin, norepinephrine and dopamine to investigate microglia neuron communication and 2\. in the context of Aβ plaque deposition in mouse models of Alzheimer’s disease. Therefore I used different microglial preparations, namely primary neonatal microglia, amoeboid microglia on top of acute brain slices of P6-9 mice and ramified microglia in acute brain slices of adult mice from healthy C57BL/6 mice or mutated APPPS1 and APP23 mice, mouse models for Alzheimer’s disease, respectively. In the first part of my work I found phagocytic uptake of fluorescent microsphere to be reduced by monoamine neurotransmitters mainly in young microglia including neonatal as well as amoeboid microglia whereas adult microglia only respond to high concentrations of dopamine with reduced particle uptake. In contrast to adult microglia where application of specific dopaminergic or adrenergic receptor agonists did not show the same reduction, application of the specific 5HT2 receptor agonist DOI leads in neonatal microglia to a concentration dependent decrease of particle engulfment. Moreover, serotonin was found to be a potent stimulator of ATP induced microglial migration as it not only triggers microglial migration towards an applied ATP gradient in vitro but also enhances process motility towards a laser induced injury that was suggested to be a source for ATP released from damaged cells. Secondly, my data shows that microglial phagocytic activity is lowered in the cortex of diseased APPPS1 as well as APP23 mice. Experiments on microglial microsphere uptake in unaffected brain regions revealed fully functional microglial phenotype providing evidence that microglial impairment is dependent on the presence of Aβ plaques. In addition, microglial response towards acute injury induced by a cortical laser lesion increases during aging comparing 2, 4 and 10 months old mice which is attenuated in aged APPPS1 mice but not in younger, plaque bearing mice supporting functional impairment of microglia by the presence of Aβ plaques. In conclusion, this work provides data that microglia express functional neurotransmitter receptors for serotonin, norepinephrine and dopamine whose activation leads to modification of substantial effector functions involved in synapse rearrangement during development as well as regeneration in pathology. Moreover, I can show that these functions are impaired upon Aβ plaque presence supporting the view of a dysfunctional microglial phenotype during neurodegenerative disease progression.

Mikrogliazellen sind eingebunden in verschiedenste Vorgänge im Gehirn, sowohl während der Entwicklung als auch bei Regeneration nach Verletzung. Als Teil des Immunsystems sind sie in der Lage ihre Umgebung mittels ihrer feinen Fortsätze ständig abzutasten, aber auch als Phagozyten Zelltrümmer und Pathogene aufzunehmen. In diesem Projekt sollte sowohl die Phagozytoseaktivität als auch die Bewegung der Zellfortsätze 1\. Nach Stimulation mit verschiedenen Monoaminneurotransmittern wie Serotonin, Noradrenalin und Dopamin zur Charakterisierung der Mikroglia Neuron Interaktion untersucht werden. 2\. Im Zusammenhang mit Aβ-Ablagerungen in verschiedenen Mausmodellen der Alzheimer Krankheit untersucht werden. Für meine Experimente nutzte ich verschiedene Mikrogliapräparationen, wie neonatale Mikroglia, amöboide Mikroglia auf der Oberfläche akuter Hirnschnitte von 6-9 Tage alten Mäusen und ramifizierte Mikroglia in akuten Hirnschnitten adulter Mäuse jeweils von gesunden C57BL/6 Mäusen oder mutierten APPPS1 bzw. APP23 Mäusen, als Mausmodell der Alzheimer Krankheit. Im ersten Teil dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass vor allem junge Mikroglia, also neonatale und amöboide Mikroglia, mit einer reduzierten Aufnahmefähigkeit von Mikropartikeln nach Neurotransmitterapplikation reagieren, während adulte Mikroglia nur bei hohen Konzentrationen von Dopamin diesen Effekt zeigen. Applikation von spezifischen dopaminergen oder adrenergen Rezeptoragonisten führte allerdings nicht zu einer reduzierten Phagozytoseaktivität im Gegensatz zu neonatalen Mikroglia, die aufgrund der Applikation des 5HT2-spezifischen Rezeptoragonisten DOI mit einer konzentrationsabhängigen Reduktion der Phagozytoseaktivität reagierten. Darüber hinaus konnte Serotonin als potenter Stimulator ATP-induzierter Mikrogliabewegung identifiziert werden, da es nicht nur die ATP-induzierte Migration von Mikroglia in vitro, sondern auch die Bewegung mikroglialer Fortsätze zu einer akuten Verletzung steigert. Es wurde bereits gezeigt, dass akute Verletzung mittels Laserläsion zur Freisetzung von ATP aus verletzten Zellen führt. Der zweite Teil meiner Arbeit zeigt, dass die Phagzytoseaktivität kortikaler Mikroglia in erkrankten APPPS1 und APP23 Mäusen reduziert ist. Experimente zur Partikelaufnahme durch Mikroglia in plaquefreien Regionen erkrankter Mäuse ergaben eine vollständige Funktionsfähigkeit der Mikroglia. Demzufolge scheint die Phagozytoseaktivität von Mikroglia abhängig von Aβ-Ablagerungen reduziert zu sein. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass beim Vergleich von 2, 4 und 10 Monate alten Mäusen die mikrogliale Antwort auf kortikale akute Verletzungen im Alter ansteigt. In gealterten APPPS1 Mäusen zeigen plaque-assoziierte Mikroglia allerdings eine reduzierte Bewegung der Fortsätze. Dies unterstützt die Ansicht, dass Mikroglia durch Aβ-Ablagerungen funktionell beeinträchtigt werden. Diese Arbeit verdeutlicht, dass Mikrogliazellen funktionelle Neurotransmitter- rezeptoren für Serotonin, Noradrenalin und Dopamine besitzen, dessen Stimulation zu Veränderungen substantieller Effektorfunktionen führt, die sowohl während der Entwicklung in den Umbau neuronaler Synapsen, als auch in Regenerations-prozesse nach Verletzung involviert sind. Darüber hinaus können diese Mikrogliafunktionen durch Aβ-Ablagerungen beeinträchtigt sein. Dies unterstützt den Ansatz, dass Mikroglia einen dysfunktionellen Phänotyp im Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen ausbilden.