Exploring benign MS in a patient specific iPSC model to evaluate the role of reactive astrocytes in neuroprotection

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is the most prevalent neurological disease of chronic inflammation within the central nervous system (CNS). The disease course of MS is highly variable, where some patients show complete remission of symptoms, while others present a pro- gressive deterioration. In this work, induced pluripotent stem cells (iPSCs) were gener- ated from three MS patients with a mild disease course (benign MS, BMS) and three patients with a progressive disease course (progressive MS, PMS). The main goal was identifying mechanistic insights into the mild disease progression of benign MS through patient-specific iPSC-derived neurons and astrocytes. A combinatory treatment of inflammatory cytokines (TNFα/IL-17A) in patient specific neu- rons led to neuronal damage in both clinical phenotypes. In co-cultures of patient-specific astrocytes with a neuronal control line, it could be shown that TNFα/IL-17A treatment in BMS co-cultures resulted in less neuronal damage than in PMS co-cultures. A single-cell transcriptome analysis of neurons descended from BMS co-cultures demonstrated acti- vation of neuronal-resilience pathways. Whereas, neurons from PMS co-cultures featured expression patterns of neurodegenerative diseases. Furthermore, TNFα/IL-17A treated BMS astrocytes resulted in a differential gene expression of growth factors LIF, TGF-β1 and BDNF. A supernatant analysis confirmed the secretion of these factors within BMS co-cultures and a treatment of TNFα/IL-17A exposed neurons with these supernatants led to a neuroprotective outcome. The regulation of the JAK-STAT pathway was identified as a possible mechanism of the TNFα/IL-17A treatment. In conclusion, these results demonstrate the potential outcome of targeted modulation of astrocytes into a neuroprotective phenotype. This could contribute to therapies to pre- vent permanent neuronal damage and subsequently, dampening the disease course of progressive MS.

Die Multiple Sklerose (MS) gehört zu den am häufigsten vorkommenden chronisch ent- zündlichen Krankheiten des zentralen Nervensystems. Der Krankheitsverlauf der MS ist heterogen und individuell verschieden. Dabei folgt bei einzelnen MS Patienten nach re- zidivierenden Phasen eine vollständige Remission der Symptome, andere jedoch zeigen einen stets progressiv verschlechternden Verlauf. In dieser Arbeit wurden aus jeweils drei Personen mit MS mit einer milden Verlaufsform (benigne MS, BMS) und drei Perso- nen mit MS mit einer schweren Verlaufsform (progressive MS, PMS) induzierte pluripo- tente Stammzellen (iPSCs) generiert. Die Fragestellung ist, ob sich aus den iPSC diffe- renzierten Neuronen und Astrozyten Mechanismen identifizieren lassen, die zum Ver- ständnis der milden benignen MS beitragen. Eine kombinatorische Behandlung mit inflammatorischen Zytokinen Tumornekrosefaktor- α und Interleukin-17 (TNFα/IL-17A) in patientenspezifischen Neuronen führte bei beiden klinischen Phänotypen zu neuronalen Schäden. In der Ko-Kultur von patientenspezifi- schen Astrozyten mit einer neuronalen Kontrolllinie zeigten sich jedoch in den mit TNFα/IL-17A behandelten BMS Ko-Kulturen weniger neuronale Schäden als in den PMS Ko-Kulturen. Eine Einzelzell-Transkriptomanalyse der isolierten Neurone aus der BMS Ko-Kultur zeigte eine Aktivierung von neuroprotektiven Resilienz-Signalwegen, Neurone aus der PMS Ko-kultur hingegen wiesen typische Expressionsmuster von neurodegene- rativen Erkrankungen auf. Zudem ließen sich in den TNFα/IL-17A behandelten BMS-Ast- rozyten eine erhöhte differenzielle Genexpression der Wachstumsfaktoren Leukämie- hemmender Faktor (LIF), Transforming Growth Factor beta (TGF-β1) und Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) nachweisen. Eine Analyse der Zellkulturüberstände bestä- tigte die Sekretion dieser Faktoren in BMS Ko-Kulturen und eine Zugabe dieser Über- stände auf TNFα/IL-17A-geschädigte Neurone führten zu einen neuroprotektiven Effekt. Als möglicher TNFα/IL-17A-abhängiger Mechanismus wurde hierbei die Regulation des JAK-STAT- (Januskinase/Signal Transducers and Activators of Transcription) Signalweg identifiziert. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse das Potential einer gezielten Modulation der Astrozyten hin zum neuroprotektiven Phänotyp. Dies könnte zur Prävention von dauerhaften neuronalen Schäden beitragen und einen schweren Krankheitsverlauf der MS verhindern.