Assessing the effect of autoimmune receptor autoantibodies on synaptic function and behaviour

Abstract

γ-aminobutyric acid A receptor (GABAAR) and N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) encephalitis are both autoimmune disorders characterized by autoantibodies against receptors in the brain. Due to the relatively new discovery of these disorders, much is still unknown. Some studies have explored the cerebral spinal fluid (CSF) of patients to see how these antibodies could influence receptor function, however due to the large mixture of antibodies often observed in patient’s CSF, linking antibodies to their mechanistic properties has proven to be challenging. Due to this, this thesis investigates four patient derived monoclonal antibodies to study how they individually contribute to these disorders. First, two autoantibodies against the GABAAR, one targeting the α1-subunit and one requiring both a α1 and γ2-subunit of the receptor, were investigated with the help of immunocytochemistry, electrophysiology and calcium imaging experiments. Interestingly, these antibodies seem to work through distinct mechanisms. For example, the α1-antibody influenced receptor distribution at longer time points (>24hrs), driving the receptors away from the synapse by internaliza-tion. In addition, at shorter time points (<4min) the α1-antibody could directly facilitate an antagonistic effect on the receptor. In contrast, the α1γ2-antibody did not have any impact on these receptors, neither influencing signal transduction of the receptor, nor causing receptor redistribution. However, once microglia were added to the cultures, the α1γ2-antibody was able to engage microglia leading to removal of synaptic receptors. Second, two antibodies against NMDAR, one germline and one maturated, were investigated through electrophysiological experiments. Germline antibodies have not been investigated before in the context of autoimmune encephalitis and are generally not thought to cause autoimmunity. Interestingly, this germline antibody did disrupt receptor functionality, similar to the maturated antibody, albeit at a five-fold higher dose. These findings imply that everyone could be at risk of developing autoimmune encephalitis and not only individuals that have an initial tumor/infection as previously postulated. All in all, these findings highlight the tremendous antibody diversity underlying autoimmune encephalitis, complicating the development of new treatment strategies for patients, necessitating a more holistic approach to these disorders.

γ-Aminobuttersäure-A-Rezeptor- (GABAAR) und N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor- (NMDAR) Enzephalitis sind beides Autoimmunerkrankungen, die durch Autoantikörper gegen Rezeptoren im Gehirn gekennzeichnet sind. Da diese Erkrankungen erst vor kurzem entdeckt wurden, ist noch vieles unbekannt. In einigen Studien wurde die zerebrale Rückenmarksflüssigkeit (CSF) von Patienten untersucht, um herauszufinden, wie diese Antikörper die Rezeptorfunktion beeinflussen könnten. Aufgrund der großen Mischung von Antikörpern, die häufig in der CSF von Patienten beobachtet wird, hat sich die Zuordnung von Antikörpern zu ihren mechanistischen Eigenschaften jedoch als schwierig erwiesen. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit vier von Patienten stammende monoklonale Antikörper untersucht, um herauszufinden, wie sie individuell zu diesen Störungen beitragen. Zunächst wurden zwei Autoantikörper gegen den GABAAR, einer gegen die α1-Untereinheit und einer, der sowohl eine α1- als auch eine γ2-Untereinheit des Rezeptors benötigt, mit Hilfe von Immunozytochemie, Elektrophysiologie und Calcium-Imaging-Experimenten untersucht. Interessanterweise scheinen diese Antikörper über unterschiedliche Mechanismen zu wirken. Zum Beispiel beeinflusste der α1-Antikörper die Rezeptorverteilung zu längeren Zeitpunkten (>24 Stunden), indem er die Rezeptoren durch Internalisierung von der Synapse wegtrieb. Darüber hinaus konnte der α1-Antikörper zu kürzeren Zeitpunkten (<4min) direkt eine antagonistische Wirkung auf den Rezeptor ausüben. Im Gegensatz dazu zeigte der α1γ2-Antikörper keine intrinsische Wirkung auf diese Rezeptoren und beeinflusste weder die Signaltransduktion des Rezeptors noch bewirkte er eine Umverteilung des Rezeptors. Sobald jedoch Mikroglia zu den Kulturen hinzugefügt wurden, war der α1γ2-Antikörper in der Lage, die Mikroglia zu aktivieren, was zur Entfernung der synaptischen Rezeptoren führte. Zweitens wurden zwei Antikörper gegen NMDAR, ein Keimbahn-Antikörper und ein reifer Antikörper, in elektrophysiologischen Experimenten untersucht. Keimbahn-Antikörper wurden bisher noch nicht im Zusammenhang mit Autoimmunenzephalitis untersucht, und es wird allgemein nicht angenommen, dass sie Autoimmunität verursachen. Interessanterweise hat dieser Keimbahn-Antikörper die Rezeptorfunktionalität ähnlich wie der reife Antikörper gestört, wenn auch in einer fünffach höheren Dosis. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass jeder Mensch ein Risiko für die Entwicklung einer Autoimmunenzephalitis haben könnte und nicht nur Personen, die einen Tumor oder eine Infektion haben, wie bisher angenommen wurde. Alles in allem verdeutlichen diese Ergebnisse die enorme Vielfalt der Antikörper, die der Autoimmunenzephalitis zugrunde liegen, was die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien für Patienten erschwert und einen ganzheitlicheren Ansatz für diese Erkrankungen erforderlich macht.