In Vivo Analyse der Mikrogliadynamik im malignen Gliom

Abstract

Time Lapse in-vivo-Mikroskopie als Nachweis der individuellen Dynamik der Mikroglia-Tumormilieu-Interaktion – eine neue Rolle des perivaskulären Raums als Schnellstrasse für aktivierte Mikrogliazellen Mikrogliazellen sind entscheidend für das Wachstum und den Progress von malignen Gliomen. Jedoch ist nur sehr wenig über das intratumorale Verhalten von Mikrogliazellen und die dynamische Interaktion mit dem Tumor bekannt. Aktuell basiert das begrenzte Wissen über das Erscheinungsbild der Mikroglia in Gliomen auf histologischen und in-vitro-Studien. Um das Muster der Mikrogliaaktivität und -motilität sowie die Migration der Zellen zu verstehen, haben wir eine intravitale Studie in einem orthotopen, murinen Gliommodell mit CX3CR1-eGFPGFP /wt-Mäusen konzipiert. Wir haben die Dynamik der intratumoralen Mikroglia- Akkumulation und -aktivität und auch die Interaktion der Mikrogliazellen mit Blutgefäßen des Tumors mit intravitaler Epi- und Zwei-Photonen- Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Zudem haben wir die zellulären Funktionen und Gewebsfunktionen einschließlich der Messung der Enzymaktivität der NADPH- Oxidase durch in-vivo-Fluoreszenzlebenszeitmessung im Tumor und in der Mikroglia dargestellt. Zudem haben wir den Einfluss der antivaskulären Therapie auf das Verhalten der Mikrogliazellen sowie deren Migration und Proliferation untersucht. Wir konnten drei morphologische Phänotypen von Tumor-assoziierter Mikroglia mit vollkommen unterschiedlichen Zellgrößen und Bewegungsmustern identifizieren. Im Gegensatz zu vorrausgegangenen Studien konnten wir beobachten, dass sich eine Fraktionen der Mikrogliazellen sehr schnell im Tumorgewebe bewegt und große Strecken binnen weniger Minuten zurücklegt wohingegen sich die anderen Fraktionen wenig oder gar nicht bewegen. Wir stellten fest, dass sich die NADPHOxidase-Aktivität in den unterschiedlichen Mikroglia-Subtypen dramatisch unterscheidet und hierdurch verschieden große Mengen von reaktiven Sauerstoffradikalen produziert werden. Dies weist auf die vielseitige Funktion der verschiedenen Mikroglia-Subtypen hin. Wir haben beobachtet, dass die größte Motilität der Mikroglia in der peri-vaskulären Nische zu finden ist, was auf die hohe Relevanz der Mikroglia- Tumorgefäß-interaktion hindeutet. Entsprechend zeigte sich unter Antivaskulärer Therapie eine relevante Gefäßreduktion im Tumor und konsekutiv eine Abnahme der Mikrogliazellen im Gliom. Die vorgestellten Daten bestätigen die Relevanz des Tumorgefäß-Kompartiments auf die Migration und die Biologie der Mikroglia. Zusammengefasst konnten wir neue Einsichten in das Verhalten der Mikrogliazellen in vivo hinsichtlich ihrer Motilität und Funktion im malignen Gliom eröffnen.

Time Lapse In Vivo Microscopy Reveals Distinct Dynamics of Microglia-Tumor Environment Interactions – A New Role for the Tumor Perivascular Space as Highway for Trafficking Microglia Microglial cells are critical for glioma growth and progression. However, only little is known about intratumoral microglial behavior and the dynamic interaction with the tumor. Currently the scarce understanding of microglial appearance in malignant gliomas merely originates from histological studies and in vitro investigations. In order to understand the pattern of microglia activity, motility and migration we designed an intravital study in an orthotopic murine glioma model using CX3CR1-eGFPGFP/wt mice. We analysed the dynamics of intratumoral microglia accumulation and activity, as well as microglia/tumor blood vessel interaction by epi-illumination and 2-photon laser scanning microscopy. We further investigated cellular and tissue function, including the enzyme activity of intratumoral and microglial NADPH oxidase measured by in vivo fluorescence lifetime imaging. Furthermore we investigated the influence of antivascular therapy on microglia cell behavior, migration and proliferation within malignant gliomas. We identified three morphological phenotypes of tumor- associated microglia cells with entirely different cell size and motility patterns. In contrast to previous studies we could observe that one fraction of microglia cells showed a very fast cell movement within the tumor tissue and covers long distances within a few minutes. We found that NADPH oxidase activation is highly divergent in these different microglia subtypes leading to distinct production levels of reactive oxygen species (ROS) indicating various functions of microglia subtypes. We observed that microglia motility is highest within the perivascular niche, suggesting relevance of microglia/tumor blood vessel interactions. In line, a reduction of tumor blood vessels by antivascular therapy resulted in a decrease of microglia cells in gliomas. This confirmed the relevance of the tumor vessel compartment on microglia migration and its biology in brain tumors. In summary, we provide new insights into in vivo microglial behavior, regarding both morphology and function, in malignant gliomas.