Effect of DHODH inhibition by teriflunomide on axonal mitochondria

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is a chronic inflammatory disease of the central nervous system (CNS), affecting more than 2.5 million people worldwide. MS is characterized by inflammation, demyelination and neurodegeneration. However, its exact pathophysiology is not clearly understood. Many studies have reported that mitochondrial alterations occur already in early stages of MS contributing to neurodegeneration even in absence of demyelination. In MS, the activated infiltrating as well as CNS resident immune cells are potential sources of reactive oxygen and nitrogen species that lead to oxidative stress causing mitochondrial and subsequent neuronal damage. Previously, we demonstrated that oxidative stress alters axonal mitochondrial dynamics and mitochondrial membrane potential in myelinated axons. Thus, we hypothesize that targeted inhibition of mitochondrial damage may prevent neurodegeneration and could represent a potential treatment option in the context of MS. Teriflunomide (TFN) is an approved drug for MS that inhibits dihydroorotate dehydrogenase (DHODH), a mitochondrial inner membrane associated enzyme. However, the effects of TFN on mitochondria has not been well investigated. Hence, in this project we aimed to investigate the effect of TFN on mitochondria and hypothesized that TFN treatment does not compromise mitochondrial functionality. To test our hypothesis, we treated murine peripheral spinal root explants and observed their mitochondrial dynamics using confocal microscopy. DMSO, the substance used to dilute TFN, did not affect mitochondrial dynamics. In unmanipulated axons, 50 μM TFN increased mitochondrial elongation and length but decrease their velocity. Then, we induced oxidative stress by incubating the roots with 50 μM hydrogen peroxide (H2O2). Additionally, we applied three different concentrations of TFN- 1, 5 and 50 μM together with H2O2. During exogenous application of H2O2, mitochondria became rounder, shorter and smaller. Additionally, less mitochondria were motile and travelled shorter distance with decreased velocity. Contrastingly, oxidative stress-induced alterations in mitochondrial morphology was prevented by 1 and 50 μM TFN. Regarding mitochondrial motility, only 1 μM TFN prevented all motility-related alterations. Meanwhile, 50 μM restored the decrease in motile mitochondria and motility distance but not velocity. Moreover, 1 μM TFN reduced the oxidation potential of mitochondria. However, 5 μM TFN could not restore alterations in mitochondrial dynamics as well as its oxidation potential. This non-monotonic dose response of TFN may be attributed to interactions with pathways related to tyrosine kinases and cyclooxygenases. Thus, our data demonstrates the relationship between DHODH inhibition and mitochondrial dynamics and point to a potential neuroprotective effect of TFN in context of oxidative stress- related mitochondrial damage.

Die Multiple Sklerose (MS) ist eine chronische entzündliche Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS) und betrifft weltweit mehr als 2,5 Millionen Menschen. Entzündung, Demyelinisierung und Neurodegeneration gelten als die Kennzeichen der Erkrankung, die genaue Ursache ist jedoch unklar. Viele Studien belegten über mitochondriale Veränderungen in einem frühen Stadium der MS, von denen angenommen wird, dass sie zur Neurodegeneration beitragen, sogar bevor Demyelinisierung vorliegt. Soweit bekannt ist, löst in der MS das Eindringen von Leukozyten aus der Peripherie ins Gehirn eine Entzündung aus. Infolgedessen produzieren die aktivierten Immunzellen im ZNS große Mengen an reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies, die zu einer oxidativen Stresssituation führen. Diese schädigt sowohl Neuronen als auch Mitochondrien und führt letztlich zur Neurodegeneration. Wir haben in früheren Studien gezeigt, dass oxidativer Stress die axonale mitochondriale Dynamik sowie das Membranpotenzial in myelinisierten Axonen verändert. Teriflunomid (TFN) wirkt über die Hemmung eines mitochondrialen, mit der inneren Membran assoziierten Enzyms, der Dihydroorotat-Dehydrogenase (DHODH). Die Wirkung von TFN auf die Mitochondrien ist jedoch unvollstängig untersucht. Deswegen stellten wir die Hypothese auf, dass die Behandlung mit TFN die mitochondriale Funktionalität nicht beeinträchtigt. Um unsere Hypothese zu testen, analysierten wir murine periphere Spinalwurzel-Explantate mittels konfokaler Mikroskopie. Das Vehikel für TFN, DMSO, zeigte keinen Einfluss auf die mitochondriale Dynamik. Wir applizierten 50 μM TFN oder 50 μM Wasserstoffperoxid (H2O2), um oxidativen Stress zu induzieren oder drei Konzentrationen von TFN - 1, 5 und 50 μM zusammen mit H2O2. In einem unbehandelten Axon erhöhte 50 μM TFN die mitochondriale Schwellung und Länge, verringerte aber die Motilitätsgeschwindigkeit. Unter exogener Applikation von H2O2 wurden die Mitochondrien runder, kürzer und kleiner. Außerdem waren weniger Mitochondrien beweglich und legten eine kürzere Strecke mit verringerter Geschwindigkeit zurück. Im Gegensatz dazu wurde die durch oxidativen Stress induzierte Veränderung der mitochondrialen Morphologie durch 1 und 50 μM TFN verhindert. Hinsichtlich der mitochondrialen Motilität verhinderte nur 1 μM TFN alle motilitätsbezogenen Veränderungen und 50 μM verhinderte die Abnahme der beweglichen Mitochondrien und der Motilitätsdistanz, aber nicht der Geschwindigkeit. Außerdem reduzierte 1 μM TFN das Oxidationspotential der Mitochondrien. 5 μM TFN konnte jedoch die Veränderungen der mitochondrialen Dynamik sowie des Potentials nicht wiederherstellen. Diese nicht-lineare Dosis-Antwort von TFN kann auf Interaktionen mit Signalwegen zurückgeführt werden, die mit Tyrosinkinasen und Cyclooxygenasen in Verbindung stehen. Somit zeigen unsere Daten den Zusammenhang zwischen DHODH-Inhibition und mitochondrialer Dynamik und deuten auf eine mögliche neuroprotektive Wirkung von TFN im Kontext von oxidativem Stress-bedingten mitochondrialen Schäden hin.