Characterization and manipulation of myeloid cells in the healthy and diseased Central Nervous System

Abstract

Microglia are yolk sac-derived resident immune cells of the brain. They are important for brain development and tissue homeostasis, as well as for the response to tissue injury and diseases. Activation of microglia around amyloid-beta (Aβ) deposits is a major hallmark of Alzheimer’s disease (AD), but microglia are believed to be ineffective in clearing these deposits to combat disease. While the microglial population is maintained by local self- renewal, newly recruited myeloid cells are believed to be more effective in reducing Aβ burden. To study the functional differences between endogenous microglia and newly recruited myeloid cells, we followed up on the observation that conditional ablation of microglia in the CD11b-HSVTK (TK) mouse model provokes a massive influx of peripherally-derived myeloid cells to the central nervous system (CNS). To determine whether these newly recruited cells are able to phenotypically and functionally replace microglia in vivo, we first characterized the exchange of these cells intravitally by two-photon microscopy. Morphologically, newly recruited myeloid cells have shorter, less branched cytoplasmic processes and smaller cell-to-cell distances compared to endogenous microglia. Furthermore, these cells show faster cell body movement and are more reactive towards a laser-induced tissue lesion than resident microglia, indicating enhanced functional capabilities. To test if these newly recruited cells are more effective in the disease context than microglia, we crossed APPPS1 mice, resembling features of AD, to TK mice and studied the impact of the exchange of resident microglia with peripheral myeloid cells on AD-like pathology. Surprisingly, almost complete exchange of microglia with peripheral myeloid cells had no impact on overall Aβ-pathology. While soma and process morphology of newly recruited cells remained unaffected in the presence of Aβ-pathology, process movements were slower in vicinity of Aβ- plaques. Furthermore these cells did not cluster around Aβ-plaques, suggesting that an additional stimulus may be required to induce reduction of amyloid deposits. Finally, as an alternative approach to stimulate the innate immune system in AD, we aimed at modulating the phenotype of microglia towards increased Aβ-clearing capabilities in a mouse model of AD, by inhibiting the NALP3 inflammasome with the inhibitory drug Ebselen. While intraperitoneal Ebselen treatment was able to drastically improve amyloid pathology, toxic side-effects of the drug make research into alternative application routes and drug formulations necessary to make it a viable treatment option for AD patients. Altogether, even if modulation of microglia and their inflammatory responses in AD remains a valuable target, effective therapeutic strategies require further research to dissect the exact roles of the immune system in neuroinflammatory diseases.

Mikroglia, die aus dem Dottersack stammenden residenten Immunzellen im Gehirn, spielen eine wichtige Rolle in der Gehirnentwicklung, Gewebs-Homöostase, sowie in der Immunantwort des Zentralen Nervensystems (ZNS) nach Gewebsschädigung und Infektionen. Amyloid-beta (Aβ) Ablagerungen, ein wesentliches Charakteristikum der Alzheimer Erkrankung (AE), sind umgeben von aktivierten Mikrogliazellen, welche jedoch nicht fähig zu sein scheinen, Aβ effektiv zu reduzieren und somit die Krankheit einzudämmen. Während die residente Mikroglia-Population des Gehirns sich vorrangig selbst erneuert, sind, gemäß der Fachliteratur, neu rekrutierte myeloide Zellen aus der Peripherie scheinbar effektiver in der Reduzierung der amyloiden Last des Gehirns. Um die funktionalen Unterschiede von endogenen Mikroglia und neu rekrutierter myeloider Zellen zu studieren, verwendeten wir das CD11b-HSVTK (TK) Mausmodell, in welchem die konditionelle Depletion von Mikroglia ein massives Einströmen von peripheren myeloiden Zellen ins ZNS auslöst. Um zu untersuchen, ob die einströmenden Zellen residente Mikroglia in vivo phänotypisch und funktional ersetzen können, charakterisierten wir den Zellaustausch intravital mittels Zwei-Photonen Mikroskopie. Die aus der Peripherie stammenden myeloiden Zellen unterscheiden sich von residenten Mikroglia durch kürzere, weniger verzweigte Zellfortsätze und reduzierte Zellabstände. Zudem zeigten die myeloiden Zellen eine schnellere Zellkörper Bewegung, sowie eine schnellere Reaktion auf eine Laser-induzierte Gewebsläsion, was auf eine gesteigerte Aktivität dieser Zellen schließen lässt. Um zu testen, ob die rekrutierten Zellen auch im Krankheitskontext effektiver sind als Mikroglia, kreuzten wir APPPS1 Mäuse – ein bekanntes AE Mausmodell - mit TK Mäusen und studierten den Effekt des Zellaustausches von residenten Mikroglia gegen periphere myeloide Zellen hinsichtlich der Effekte auf die Pathologie. Überraschenderweise hatte der fast vollständige Austausch von Mikrogliazellen keinen Einfluss auf die Aβ Pathologie. Während die Zellkörper- und Zellfortsatz-Morphologie der infiltrierenden myeloiden Zellen nicht durch Aβ beeinflusst wurden, war die Aktivität dieser Zellen, gemessen an der reduzierten Zellkörper- sowie Zellfortsatz-Bewegung, in der Umgebung von Aβ Plaques herabgesetzt. Zudem besiedelten die myeloiden Zellen nicht die Aβ Plaques, was darauf hindeutet, dass, als Grundvoraussetzung für die Reduktion von Aβ, ein zusätzlicher Stimulus benötigt wird um diese Zellen zu den Plaques zu rekrutieren. Als alternativen Ansatz zur Stimulierung des angeborenen Immunsystems in der AE, beabsichtigten wir den Phänotyp von Mikrogliazellen durch die Hemmung des NALP3 Inflammasoms durch den NALP3-Inhibitor Ebselen zu beeinflussen, letztlich mit dem Ziel, die Kapazität der Mikroglia Aβ zu beseitigen, zu erhöhen. Während die intraperitoneale Ebselen Applikation zu einer deutlichen Verbesserung der Amyloid-Pathologie führte, sind weitere Studien zu alternativen Applikationsrouten und Wirkstoffformulierungen aufgrund der toxische Nebenwirkungen des Pharmakons vonnöten, um Ebselen in der Klinik anwenden zu können. Zusammenfassend ist die Modulierung von Mikroglia bzw. der inflammatorischen Prozesse in der AE ein wertvolles und sinnhaftes Angriffsziel. Für effektive therapeutische Strategien sind jedoch weitere Studien vonnöten um die exakte Rolle des Immunsystems in der AE zu verifizieren, bzw. zu validieren.