Progesterone's activity in the central nervous system: a murine model study on Gliotoxin injured Myelin of the spinal cord

Abstract

This thesis comprehends the study of in vivo neuroendocrine effects of progesterone on myelination and its possible therapeutic value in multiple sclerosis (MS). Progesterone has long been considered a female sex hormone that is primarily involved in regulating pregnancy. Yet interestingly also neurons and glial cells synthesize progesterone de novo and express progesterone receptors (Mariott et al. 2008 Glia 56: 686-98; Schumacher et al. 2008 Curr Opin Pharmacol 8: 740-6). Recent research shows that progesterone is a potent pleiotropic neuroactive steroid that can protect and promote myelin renewal in the slow but continuous process of myelin maintenance in the adult central nervous system. Regeneration of myelin is mediated by oligodendrocyte precursor cells, which are widely distributed throughout the central nervous system (CNS). In MS, the most common demyelinating disease and cause of neurological disability in young adults, there is a progressive and irreversible loss of myelin and the remyelination process fails. MS disease activity diminishes during the third trimester of pregnancy and increases during the first three months post-partum which coincides with increasing high levels of female sex steroids during pregnancy followed by dramatic decline immediately after delivery (Confavreux et al. 1998 N Engl J Med 339:285-291). An ongoing clinical trial aims to prevent MS relapses related to the post- partum condition by administering progesterone in combination with estradiol (Vukusic et al. 2009 J Neurol Sci 286: 114-8). Data generated from another clinical trial found evidence that progesterone is safe for use in patients suffering from traumatic brain injuries and may reduce the risk of death and long-term disability (Wright et al. 2007 Ann Emerg Med 49: 391-402). While these trials are already enrolling thousands of patients, it seems important to gain more knowledge of the biological significance of progesterone in the CNS. Since preclinical data of various experimental CNS lesion models including a preceding experiment of autoimmune induced encephalitis (EAE) with progesterone treatment indicate promotion of myelin viability along with anti- inflammatory protection, it was our objective to investigate whether progesterone ameliorates myelin impairment also independently of general immune system activation (Garay et al. 2007 J Steroid Biochem Mol Biol. 107: 228-237, Gibson et al. 2008 Brain 131: 318-28). Thus, the effects of exogenously applied progesterone on myelin protection and renewal were examined in spinal cord lesions of demyelination in a murine model using C57BL/6 mice. Demyelination was focally induced by direct intraspinal injection of the gliotoxic detergent lysophosphatidylcholine (LPC). The histopathological examinations revealed that progesterone reduced the size of LPC demyelinated lesions as seen by histochemical and immunohistochemical staining of myelin proteins in animals receiving progesterone treatment compared to untreated animals. Specifically, the experiments indicated that progesterone treatment (a) produced important changes in the myelin status of the spinal cord according to the decrease of demyelination foci measured by Luxol fast blue staining. Progesterone treatment (b) increased the number of NG2-positive oligodendrocyte-precursor cells and (c) diminished the number of the local LPC-triggered reactive microglia identified by OX42 immunoreactivity in comparison to untreated mice injected with LPC alone, while (d) progesterone administration did not significantly change glial fibrillary acidic protein (GFAP)-labelled astrocytes after LPC injection in the area surrounding the demyelinated lesion. Thus the results of this thesis using the non-immune mediated toxin-induced model run in parallel with previous results obtained in the EAE model. While progesterone prevented excessive microglial activation in the context of local reactive inflammation, the model suggests that progesterone shows potent myelin protecting activities which are independent from the systemic immunomodulation and involve recruitment and proliferation of oligodendrocytes.

Die vorliegende Arbeit untersucht den neuroendokrinen Einfluss von Progesteron auf die De- und Remyelinisierung im zentralen Nervensystem (ZNS) und seinen möglichen therapeutischen Einsatz in Multiple Sklerose (MS). Progesteron ist uns bisher als weibliches Sexualhormon bekannt, unter anderem in seiner Funktion zur Aufrechterhaltung der Schwangerschaft. Bemerkenswert ist jedoch, dass nicht nur Rezeptoren für das Steroidhormon im gesamten ZNS verteilt gefunden werden können, sondern auch dass es dort von Nerven- und Gliazellen lokal synthetisiert wird (Mariott et al. 2008 Glia 56: 686-98; Schumacher et al. 2008 Curr Opin Pharmacol 8: 740-6). Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass es sich bei Progesteron um ein leistungsfähiges pleiotrophisches Neurosteroid handelt, welches den langsamen, aber kontinuierlichen Prozess der Aufrechterhaltung und Erneuerung der von Oligondendrozyten gebildeten Myelins im adulten ZNS schützt und fördert. MS, die häufigste chronisch-entzündliche, demyelinisierende Erkrankung des ZNS, ist charakterisiert durch eine progrediente, irreversible Zerstörung der Nervenzellenumhüllenden Myelinscheide. Studien zeigen, dass die Aktivität der Krankheit im Verlauf einer Schwangerschaft deutlich abnimmt und nach Entbindung wieder zunimmt, welches mit der drastischen Erhöhung während fortschreitender Schwangerschaft sowie dem postpartalen Abfall der Konzentration dieses Sexualhormons korreliert (Confavreux et al. 1998 N Engl J Med 339: 285-291). In einer laufenden klinischen Studie scheint die Einnahme von Progesteron kombiniert mit Östradiol den postpartalen MS-Rezidiven vorzubeugen (Vukusic et al. 2009 J Neurol Sci 286: 114-8). Daten einer weiteren klinischen Studie demonstrieren, dass Progesteron im Rahmen von traumatischen Gehirnverletzungen Mortalität und Langzeit-Behinderung reduziert (Wright et al. 2007 Ann Emerg Med 49: 391-402). Während die klinischen Studien bereits tausende Probanden rekrutieren, erscheint es wichtig die biologische Bedeutsamkeit von Progesteron im ZNS genauer zu erörtern. Präklinische Daten aus experimentellen Tiermodellen auf der Basis verschiedener ZNS-Läsionen, darunter einem für MS häufig genutztem Tiermodell der experimentell autoimmun- induzierten Encephalitis (EAE), unterstützen die These, dass Progesteron antiinflammatorisch und protektiv auf Neurone und dessen Myelinschicht wirkt. Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, ob Progesteron Myelinschäden auch unabhängig von seinem Einfluss auf das allgmeine Immunsystem direkt schützt (Garay et al. 2007 J Steroid Biochem Mol Biol. 107: 228-237, Gibson et al. 2008 Brain 131: 318-28). Anhand eines geeigneten Tiermodelles zur Untersuchung der De- und Remyelinisierung wurde die Wirkung von exogen verabreichtem Progesteron auf den Schutz und die Erneuerung von Myelin untersucht. Hierzu wurde das gliotoxische Detergens Lysophosphatidylcholin (LPC) lokal in das Rückenmark von C57BL/6 Mäusen injiziert. Die histopathologischen Analysen mittels immun-/ histochemischer Nachweise zeigten, dass Progesteron die Grösse der durch LPC verursachten demyelinisierten Läsionen im Vergleich zu unbehandelten Tieren reduziert. Im Detail zeigte das Experiment, dass die Therapie mit Progesteron (a) signifikant den Myelin-Status verändert, da es die demyelinisierten Foki, sichtbar durch Luxol-Fast-Blau Färbung, verringert. Durch die Progesterontherapie wurde sowohl (b) die Anzahl der NG2-positiven Oligodendrozten-Vorläuferzellen erhöht, als auch (c) die Anzahl der durch die LPC-verursachten reaktiven Ox42-positiven Microglia-Zellen jeweils im Vergleich zu unbehandelten Mäusen reduziert, während die Progesteronbehandlung (d) GFAP markierte Zellen im Bereich der durch LPC bewirkten demyelinisierten Läsion nicht beeinflusste. Die Arbeitsergebnisse, die unter Zuhilfenahme des immununabhängigen Demyelinisierungsmodells durch lokale Toxinverabreichung gewonnen wurden, stimmen mit vorhergenden Ergebnissen des EAE Modells überein. Während Progesteron eine übermäßige Mikrogliaaktivierung auch im Rahmen einer lokalen Entzündungsreaktion eindämmt, zeigt dieses angewandte Modell weiterführend auf, dass Progesteron starke Myelin-schützende Eigenschaften besitzt, welche nicht unter dem Einfluss systemischer Immunreaktionen stehen und die Rekrutierung und Proliferation von Oligodendrozyten beinhaltet.