Die Funktion des Chemokins CCL21 und des Chemokinrezeptors CXCR3 in der Kommunikation zwischen Mikrogliazellen und Neuronen

Abstract

Mikrogliazellen sind die Makrophagen des Zentralnervensystems (ZNS). Da sie als solche sofort auf eine Schädigung von Neuronen reagieren, wurde ein Neuron-Mikroglia Kommunikationssystem postuliert. Pathologische Bedingungen verschiedenster Art induzieren einen mehrstufigen Aktivierungsprozeß der Mikroglia, welcher aus der Retraktion der mikroglialen Zellausläufer, der Wanderung der Zellen zum Ort der Schädigung, der Proliferation, der Produktion von zytotoxischen Substanzen und Phagozytose bestehen kann. Die Aktivierung der Mikroglia spielt daher eine wichtige Rolle in der Abwehr akuter Infektionen des ZNS und der Beseitigung von apoptotischen und nekrotischen Zellen. Welche Signale zur Aktivierung der Mikroglia führt ist noch weitgehend unbekannt. Ein Kandidat für ein solches Signalmolekül stellt das von verletzten Neuronen exprimierte und freigesetzte Chemokin CCL21 dar. In der vorliegenden Arbeit wurden im akuten Hirnschnitt und in Zellkultur funktionelle Rezeptoren für dieses Chemokin auf Mikrogliazellen nachgewiesen. Die kurze lokale Stimulation mit CCL21 führte zur Öffnung von mikroglialen Chloridkanälen. Weiterhin bewirkte CCL21 die Migration der Mikroglia, welche durch Chloridkanalblocker inhibiert werden konnte. Sowohl die Proliferation als auch die Ausschüttung von Zytokinen wurden nicht von CCL21 beeinflußt. CCL21 könnte somit ein neuronales Signalmolekül zur mikroglialen Aktivierung darstellen, welches die Mikroglia über die Aktivierung von Chloridströmen zur Migration anregt. CCL21 wurde im peripheren Immunsystem als ein Ligand des CCR7 Rezeptors beschrieben. Lediglich in transfizierten Zellen konnte eine Bindung von CCL21 an den Chemokinrezeptor CXCR3 gezeigt werden. Durch die Verwendung von CCR7 und CXCR3 Knockout Mäusen konnte in dieser Arbeit durch elektrophysiologische und Migrations Experimente nachgewiesen werden, daß CXCR3 - und nicht CCR7 - der mikrogliale Rezeptor für CCL21 ist. Versuche mit dem Chemokin CXCL10, welches der beschriebene Ligand von CXCR3 ist, bestätigten diese Resultate. Um den Einfluß des mikroglialen CXCR3 Rezeptors auf zelluläre Veränderungen in vivo zu untersuchen, wurden zwei Läsionsmodelle verwendet: die entorhinale Kortexläsion, welche die Migration der Mikroglia induziert und die Fazialisnervläsion, die zu einer Proliferation der Mikroglia führt. CXCR3 Knockout Mäuse zeigten im Vergleich zum Wildtyp nach entorhinalen Kortexläsion eine reduzierte Migration der Mikroglia. Weiterhin verblieben in den Knockout Mäusen nach einer Läsion die Dendriten von Interneuronen in den Gebieten der axonalen Degeneration, während die Dendriten in Wildtyp Mäusen zurückgezogen wurden. Nach einer Fazialisläsion konnten keine Unterschiede in Hinsicht auf morphologische Veränderungen sowie der Anzahl der proliferierenden Zellen zwischen CXCR3 Knockout und Wildtyp Mäusen gefunden werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß die Aktivierung des CXCR3 Rezeptors in vitro und in vivo zur Migration der Mikroglia zum Ort der neuronalen Schädigung führt und dies Einfluß auf die neuronale Reorganisation nimmt.

Microglia are the resident macrophage population of the central nervous system (CNS) and are considered its major immunocompetent element. Because any type of brain pathology activates them a neuron-microglial communication system has been proposed. The activation is a multi-step process, which consists of retraction of microglial processes, the migration, proliferation, the production of cytotoxic substances, and phagocytosis. Thus activation of microglia plays an important role in the immune defense against acute infection of the CNS and the removal of apoptotic and necrotic cells. The signals, which lead to the activation of microglial cells are more or less unknown. One candidate for signalling neuronal injury to microglial cells is the CC chemokine ligand CCL21, given that damaged neurons express CCL21. Investigating microglia in acute slices and in culture, it was possible to demonstrate in this work the functional expression of receptors for CCL21 in microglial cell. The local application of CCL21 for 30 s triggered a chloride conductance with lasted for tens of minutes. Moreover, CCL21 triggered a chemotaxis response, which was sensitive to chloride channel blockers. The proliferation of microglia and the production of cytokines were not influenced by CCL21. Thus CCL21 could be a neuronal signalling molecule which leads to the microglial migration via the activation of chloride currents. In the peripheral immune system CCL21 was described as a ligand of the CCR7 receptor. Only in CXCR3 transfected cells a binding of CCL21 on the chemokine receptor CXCR3 was demonstrated. Using CCR7 and CXCR3 knockout animals in electrophysical and chemotaxis experiments it was possible to show that in microglia CCL21 binds to CXCR3 and not to the CCR7. This could be confirmed by experiments done with the chemokine CXCL10, which is the described ligand of CXCR3. To investigate the influence of the microglial CXCR3 receptor on cellular processes in vivo two different lesion models were used: the entorhinal cortex lesion that leads to a migration of microglial cells and the facial nerve axotomy that results in microglial proliferation. The microglial migration in CXCR3 knockout mice after entorhinal cortex lesion was impaired in comparison to wild type animals. Further on, the dendrites of interneurons in the zone of axonal degeneration were not retracted in CXCR3 knockout in comparison to wild type mice. After facial nerve axotomy no differences in the morphology or number of microglial cells could be observed. The results show that CXCR3 signaling is crucial in microglia recruitment, but not proliferation, and this recruitment is an essential element for neuronal reorganization.