Investigation of brain extracellular matrix and application of experimental MRI to understand disease development in a murine model of multiple sclerosis

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is a chronic neuroimmunological disease with growing incidence in which autoimmune-driven inflammation leads to damage to the central nervous system and demyelination. Although identification of demyelinating lesions by conventional magnetic resonance imaging (MRI) is paramount for diagnosis and prognosis of MS, the lack of consistent correlation with disease activity and progression motivates the search for complimentary imaging tools. Neuroinflammatory processes, anteceding demyelination and neurodegeneration, are known for exerting a significant effect on extracellular matrix (ECM) composition and can be imaged by MR elastography (MRE) and magnetic nanoparticle-based MRI. Hence, this thesis aimed at using these alternative imaging tools to investigate brain inflammation and the associated remodeling of its ECM. The studies compiled here examined the neuropathological processes behind alterations of the mechanical properties of the brain in association with accumulation of europium-doped very small superparamagnetic iron oxide particles (Eu-VSOP) and remodeling the ECM using the mouse model of MS, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Additionally, characterization of alterations in glycosaminoglycans (GAGs) associated with disease development and progression was investigated. The results demonstrated that focal neuroinflammation resulted in microstructural changes affecting the mechanical properties of the brain tissue. Intense perivascular infiltration of inflammatory cell as well as inflammation at the periventricular space visualized by Eu-VSOPs are characterized by marked tissue softening compared with areas of disseminated inflammation. Furthermore, a quantitative mapping of brain stiffness revealed that MRE is able to detect region-specific alterations in tissue microstructure, revealing reduced cortical stiffness at peak EAE. These changes were associated with overexpression of laminin 4 and 5 as well as collagen type VI and downregulation of fibronectin. Finally, changes in GAG composition and metabolism indicate that early alterations in gene expression are followed by modifications in chondroitin sulfate (CS) and hyaluronic acid (HA) GAG fractions. Upregulation of genes associated with GAG degradation and HA synthesis persisted in inflammatory stages but was reduced in the remission phase. In agreement, quantification of CS and HA disaccharides by high performance liquid chromatography showed a reduction of CS-4S, the most abundant CS GAG fraction, and an increase in HA during peak EAE. Taken together, the presented results indicate that in vivo assessment of tissue microstructure using MRE may aid monitoring the pathological processes underlying disease development. Moreover, GAGs remodeling of within the ECM could be interesting targets for development of imaging probes or for interventional therapies able to hinder disease progression.

Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch-neuroimmunologische Erkrankung, bei der autoimmunbedingte Entzündungen zu Demyelinisierung und Schäden im zentralen Nervensystem führen. Grundlage der MS-Diagnose ist die Identifizierung demyelinisierender Läsionen durch konventionelle Magnetresonanztomographie (MR). Diese korrelieren jedoch nicht mit der Krankheitsaktivität, was die Suche nach ergänzender Bildgebung motiviert. Neuroinflammatorische Prozesse, die Demyelinisierung und Degeneration begünstigen, wirken sich auf die Zusammensetzung der extrazellulären Matrix (ECM) aus und können mittels MR-Elastographie (MRE) und nanopartikelbasierter MRT abgebildet werden. Ziel dieser Arbeit war es, diese alternativen Verfahren zur Untersuchung von Inflammation und begleitendem ECM- Umbau im Gehirn einzusetzen. Die zusammengestellten Studien untersuchen anhand des Mausmodells der MS, der experimentellen Autoimmun-Enzephalomyelitis (EAE), neuropathologische Prozesse, die hinter den mechanischen Veränderungen des Gehirns in Verbindung mit der Akkumulation von Europium-dotierten sehr kleinen superparamagnetischen Partikeln (Eu-VSOP) und dem Umbau der EZM stehen. Zusätzlich wurden Glykosaminoglykan(GAG)-Veränderungen charakterisiert, die mit der Krankheitsentwickulung in Verbindung stehen. Die Ergebnisse zeigten, dass fokale Neuroinflammation zu Veränderungen der Mikrostruktur des Hirngewebes und der mechanischen Eigenschaften führt. Die mittels Eu-VSOPs sichtbar gemachte perivaskuläre Infiltration von Entzündungszellen sowie Entzündung im periventrikulären Raum zeichneten sich im Vergleich zu Arealen disseminierter Entzündung durch eine Gewebeerweichung aus. Eine quantitative Kartierung der Hirnsteifigkeit zeigte, dass MRE in der Lage ist, regionsspezifische Veränderungen in der Gewebemikrostruktur zu erkennen, wobei eine verringerte kortikale Steifigkeit während der EAE festgestellt wurde. Diese Veränderungen gingen mit einer Überexpression von Laminin 4 und 5 sowie von Kollagen Typ VI und einer Herabregulierung von Fibronektin einher. Weiterhin deuten Alterationen in der GAG Zusammensetzung und im Stoffwechsel darauf hin, dass auf eine veränderte Genexpression Änderungen in den GAG-Fraktionen Chondroitinsulfat (CS) und Hyaluronsäure (HA) folgen. Die Hochregulierung von GAG-verwandten Genen hielt während der Entzündungsphasen an, nahm jedoch während der Remissionsphase ab. Die Quantifizierung von CS- und HA-Disacchariden mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie ergab eine Verringerung von CS-4S und eine Zunahme von HA zum Höhepunkt der EAE. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die In-vivo-Bewertung der Gewebemikrostruktur mittels MRE die Überwachung der Krankheitsentwicklung und zugrundeliegender pathologischer Prozesse unterstützt. Darüber hinaus sind GAGs, die in der ECM umgebaut werden, interessante Ziele für die Entwicklung von Bildgebungssonden oder für interventionelle Therapien zur Verhinderung der Progression von Krankheiten.