The effect of metabolic alterations on regeneration in the central nervous system

Abstract

Introduction: The present work on Multiple Sclerosis consists of three parts. In the first part we looked at the effect of metabolic alterations of the reductive and oxidative (redox) state on the differentiation of neuronal progenitor cells (NPCs) in a mouse model. In the second part we evaluated the effect of metabolic alterations of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) on remyelination of transgenic fat-1 mice. In the third part we developed a protocol for analysing lipids and their metabolites in serum probes. Methods: In order to assess the effect of alterations of the redox environment on neuronal development in mice, we isolated cortical NPCs and exposed them to reductive and oxidative substances. We then tested the in vitro results in vivo in mouse pups and in autoimmune-mediated demyelination. In the second part we used the transgenic fat-1 mouse model that allows mice to endogenously convert n-6 into n-3 PUFAs in order to compare, whether remyelination following cuprizone-induced demyelination is improved by higher n-3 PUFA levels in fat-1 mice. In the third part we developed a liquid chromatography coupled with electrospray ionisation and tandem mass spectroscopy (LC/ESI- MS/MS) protocol to measure PUFAs and their metabolites in human and murine blood samples. We analysed naive serum and compared it to samples activated by calcium ionophore A23187. Results: In the first part we showed that the redox state influences the differentiation of NPCs via the histone-deacetlyase Sirt1. Under oxidative conditions Sirt1 is activated and binds to the transcription factor Hes1 which then inhibits the transcription factor Mash1. The inhibition of Mash1 alters the differentiation of NPCs away from neurons to glia cells. In the second part we showed that there was a slight increase in remyelination following cuprizone-induced demyelination when there was an abundance of n-3 PUFAs present. In the third part we showed that activation of human and murine whole blood by A23187 enables us to measure increased levels of PUFA metabolites. Conclusion: In the first part we showed that metabolic alterations such as alterations of the redox state have a significant influence on the differentiation of NPCs. Similarly, we found that an abundance of n-3 PUFAS might enhance CNS remyelination. Lastly, we showed that when stimulating whole blood by A23187, we are able to measure cells’ capacity to produce lipid mediators; in unstimulated whole blood such differences were mostly below detection threshold.

Einleitung: Die vorliegende Arbeit zum Thema Multiple Sklerose gliedert sich in drei Teile. Im ersten Teil haben wir den Einfluss von metabolischen Veränderungen des reduktiven und oxidativen (Redox-) Mileus auf die Differenzierung neuronaler Progenitorzellen (NPZ) im Mausmodell untersucht. Im zweiten Teil haben wir den Effekt von metabolischen Veränderungen durch mehrfach ungesättigten Fettsäuren (polyunsatured fatty acids; PUFAs) auf Remyelinierung bei transgenen fat-1 Mäusen untersucht. Im dritten Teil entwickelten wir ein Protokoll für die Analyse von Lipiden und ihren Metaboliten aus Serumproben. Methodik: Um den Effekt des Redox-Milieus auf die neuronale Entwicklung von Mäusen zu analysieren, haben wir kortikale NPZ isoliert und setzten sie entsprechenden oxidativen oder reduktiven Substanzen aus. Die Ergebnisse haben wir im Anschluss in vivo bei Jungtieren und autoimmun-bedingten Demyelinisierung überprüft. Im zweiten Teil haben wir das transgene fat-1 Mausmodell genutzt, um zu vergleichen, ob es nach Cuprizone- induzierter Demyelinisierung in fat-1 Mäusen durch erhöhte omega (n)3-PUFA Spiegel zu einer schnelleren Remyelinisierung kommt. Im dritten Teil haben wir ein Protokoll entwickelt, um durch Flüssigchromatographie gekoppelt mit Elektrospray-Ionisierung und Tandem-Massenspektroskopie die Konzentration von PUFAs und ihren Metaboliten in humanen und murinen Blutproben zu messen. Ergebnisse: Im ersten Teil konnten wir zeigen, dass das Redox-Mileu die Differenzierung von NPZ via Histon-Deacetylase Sirt1 beeinflusst. Im oxidativen Mileu wird Sirt1 aktiviert und bindet an den Transkriptionsfaktor Hes1, der wiederum den Transkriptionsfaktor Mash1 hemmt. Durch Hemmung von Mash1 differenzieren NPZ nicht zu Neuronen, sondern zu Gliazellen. Im zweiten Teil konnten wir zeigen, dass es nach Cuprizone-induzierter Demyelinisierung durch ein erhöhtes Angebot an n-3 PUFAs zu einer leicht erhöhten Remyelinisierung kommt. Im dritten Teil konnten wir zeigen, dass wir durch die Aktivierung von humanem und murinem Vollblut mittels Calcium Ionophore A 23187 erhöhte PUFA Metabolite messen konnten. Schlussfolgerung: In dieser Arbeit konnten wir im Mausmodell zeigen, dass metabolische Veränderungen des Redox- Mileus einen signifikanten Einfluss auf die Differenzierung von NPZ haben und metabolische Veränderungen der PUFA-Konzentration Remyelinisierung unterstützen könnte. Außerdem konnten wir zeigen, dass man Vollblut mittels A23187 stimulieren kann um die Kapazität der Zellen Lipidmediatoren zu produzieren zu messen; in unstimuliertem Vollblut sind die Konzentrationen oft unter der Nachweisgrenze.