Impact of sex and inflammation on the extracellular matrix of the murine brain and implications for cerebral viscoelasticity

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is a chronic inflammatory demyelinating disease of the central nervous system exhibiting gender differences in disease incidence and progression. MS patients present with brain softening, measured by in vivo magnetic resonance elastography (MRE), and MRE has indicated sexual dimorphism in human brain viscoelasticity. Although the underlaying processes are not well understood, the extracellular matrix (ECM) is expected to play a central role in this behavior. The aim of this work was to investigate possible sex differences in viscoelasticity of the mouse brain, and to elucidate ECM remodeling of the brain under healthy and inflammatory conditions, using the common MS model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). To this end, EAE was induced in female and male SJL mice and compared to age- matched sham-immunized or naïve mice. Investigations included high-resolution multifrequency MRE of the midbrain, RT-qPCR for regional ECM-related gene expression, quantification of ECM disaccharides through HPLC, and histological staining. In naïve mice, the male cortex was observed to be 9 % softer than the female. This was accompanied by a lower gene expression of the basement membrane (BM) proteins laminin (Lama5, Lama4) and collagen IV (Col4a1) compared to females, while males transcribed more fibronectin (Fn1) and decorin (Dcn) in cortical tissue. No sexual dimorphism was observed in other areas of the midbrain. Lama5, Lama4, Col4a1, Dcn, and Has2 expression correlated with brain stiffness across sex and regions. Inflammatory ECM remodeling at peak EAE involved an upregulation of genes associated with ECM-degrading lysosomal enzymes (Hexb, Gusb, Hpse) and ECM-synthesizing enzymes (Has2, Dse) across cerebellum and midbrain. ECM degradation during EAE affected primarily chondroitin sulfate glycosaminoglycans, as analyzed by HPLC, while hyaluronan was increased. Sex modulated this response with a stronger upregulation of ECM enzyme transcripts in the female cortex and hippocampus. MRE detected a similar degree of softening of the inflamed cortex in both female and male mice at peak EAE while other regions were unaffected, conserving the sexual dimorphism observed in naïve mice. This coincided with an upregulation of Lama5, Lama4, and Col4a1 in the cortical tissue of both sexes. Since intracortical lesions were not detected and the transcriptional pattern of the ECM enzymes did not match the observed stiffness changes, we hypothesize that remodeling of the BM impacts brain viscoelastic properties on a macroscopic scale. Overall, the cerebral cortex was identified as a key region of sexual dimorphism in the brain and BM composition was shown to impact brain viscoelasticity. EAE induced largescale ECM degradation in the mouse brain and sex-specific remodeling of the blood brain barrier in the cortex, contributing to inflammatory softening of the cortex at peak EAE in both sexes.

Die Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch entzündliche Erkrankung des zentralen Nervensystems, die geschlechtsspezifische Unterschiede in Inzidenz und Prognose aufweist. Mittels in vivo Magnetresonanz-Elastographie (MRE) wurde sowohl eine Erweichung des Gehirns von MS Patienten als auch ein Sexualdimorphismus in den viskoelastischen Eigenschaften des gesunden Gehirns aufgezeigt. Die zugrundeliegenden Prozesse sind nicht gut verstanden, doch es wird von einer zentralen Rolle der extrazellulären Matrix (EZM) ausgegangen. Ziel dieser Arbeit ist es, Geschlechtsunterschiede in der Viskoelastizität des Mausgehirns und den Aufbau der EZM des Gehirns unter gesunden und entzündlichen Bedingungen im MS-Modell experimentelle Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde die EAE in weiblichen und männlichen SJL-Mäusen induziert und mit altersgleichen schein-immunisierten oder gesunden Mäusen verglichen. Untersucht wurden die Viskoelastizität des Cerebrums durch Multifrequenz-MRE, regionale EZM-bezogene Genexpression durch RT-qPCR, Vorkommen von EZM Disacchariden mittels HPLC und die Gewebearchitektur über histologische Färbungen. In gesunden Mäusen wurde ein 9 % weicherer Kortex bei den Männchen als bei den Weibchen beobachtet. Dies ging mit einer niedrigeren Genexpression von Proteinen der Basalmembran (BM), Laminin (Lama5, Lama4) und Kollagen IV (Col4a1) und mit einer erhöhten Expression von Fibronektin (Fn1) und Decorin (Dcn) im männlichen kortikalen Gewebe einher. In anderen Regionen des Cerebrums wurde kein Sexualdimorphismus beobachtet. Die Expression von Lama5, Lama4, Col4a1, Dcn und Has2 korrelierte mit der Gehirnsteifigkeit über Geschlecht und Areal hinweg. Während der EAE kam es zu einer Hochregulierung von Genen für EZM-abbauende lysosomale Enzyme (Hexb, Gusb, Hpse) und EZM-synthetisierende Enzyme (Has2, Dse) im Mausgehirn. Der induzierte EZM-Abbau betraf laut HPLC vor allem die Chondroitinsulfate, während der Anteil an Hyaluronsäure zunahm. Das Geschlecht modulierte diesen Umbau, mit einer stärkeren Enzymtranskription insbesondere im weiblichen Hippocampus. Während der EAE zeigte sich in der MRE eine Erweichung des Kortex in beiden Geschlechtern, während andere Regionen nicht betroffen waren. Dies wurde von einer Hochregulierung von Lama5, Lama4 und Col4a1 begleitet. In der Abwesenheit von intrakortikalen Läsionen stellten wir die Hypothese auf, dass der Umbau der BM die viskoelastischen Eigenschaften des Gehirns auf makroskopischer Ebene beeinflusst. Insgesamt wurden somit der zerebrale Kortex als eine Schlüsselregion für den Sexualdimorphismus im Gehirn und die Zusammensetzung der BM als wichtiger Faktor für die mechanischen Eigenschaften des Gehirns identifiziert. Während der EAE kam es zu bedeutendem EZM-Umbau im Mäusegehirn sowie zum geschlechtsspezifischen Umbau der Blut-Hirn-Schranke im Kortex, was bei beiden Geschlechtern zu einer entzündlichen Erweichung des Kortex beitrug.