Modifying prion disease development by ablation of galectin-3 and by simvastatin-treatment

Abstract

Galectin-3 is highly overexpressed in prion-infected brain tissue. Immunofluorescence double-labelling identified microglia as the major cell type expressing galectin-3. Ablation of galectin-3 did not affect PrPSc- deposition and development of gliosis. However, galectin-3−/−-mice showed prolonged survival times upon intracerebral and peripheral scrapie infections. Moreover, protein levels of the lysosomal activation marker LAMP-2 were markedly reduced in prion-infected galectin-3−/−-mice suggesting a role of galectin-3 in regulation of lysosomal functions. Lower mRNA levels of Beclin-1 and Atg5 in prion-infected wild-type and galectin-3−/−-mice point towards a possible impairment of autophagy. However, LC3-II/LC3-I ratios remained unchanged in uninfected and scrapie-infected WT- or galectin-3-/--mice indicating no general increase or decrease of autophagosome numbers. The results point towards a detrimental role of galectin-3 in prion infections of the CNS and suggest that endo-/lysosomal dysfunction in combination with reduced autophagy may contribute to disease development. The second part of this study addressed the potential of the cholesterol-lowering drug simvastatin for therapeutic intervention in a murine prion disease model. Statins have been reported to inhibit prion replication in cell cultures and to modulate inflammatory reactions. Groups of mice were intracerebrally infected with two doses of scrapie strain 139A. Simvastatin-treatment commenced 100 days postinfection. The treatment did not affect deposition of misfolded prion protein PrPSc. However, expression of marker proteins for glia activation like major histocompatibility complex class II and galectin-3 was found to be affected. Analysis of brain cholesterol synthesis and metabolism revealed a mild reduction in cholesterol precursor levels, whereas levels of cholesterol and cholesterol metabolites were unchanged. Simvastatin-treatment significantly delayed disease progression and prolonged survival times in established prion infection of the CNS (p<0003). Overall, these results suggests that the therapeutic benefit of simvastatin observed in our murine prion model is not due to the cholesterol-lowering effect of this drug. Taken together, the findings from both studies highlight the significant role of prion-induced inflammatory responses in the CNS in disease development and encourage use of immunomodulatory/anti-inflammatory drugs for therapeutic intervention in prion diseases.

In Prion-infiziertem Hirngewebe zeigt Galektin-3 eine starke Überexpression. Mit Hilfe von Doppelfärbungen wurden Mikrogliazellen immunhistochemisch als Galektin-3 exprimierender Zelltyp identifiziert. Galektin-3-/--Mäuse zeigten nach intrazerebraler und peripherer Scrapie-Infektion eine verlängerte Überlebenszeit. Die Abwesenheit von Galektin-3 beeinflusste jedoch weder PrPSc-Ablagerungen noch die Entwicklung der Gliose. LAMP-2, ein Biomarker der lysosomalen Aktivität, zeigte hingegen eine deutlich verringerte Proteinexpression in Galektin-3-/--Mäusen, was auf einen möglichen Einfluss von Galektin-3 auf lysosomale Funktionen hinweist. Verminderte mRNA-Level von Beclin-1 und Atg5 in Prion-infizierten Wildtyp- und Galektin-3-/--Mäusen deuten auf eine Beeinträchtigung des Autophagie-Systems hin. Die Untersuchung der LC3-II/LC3-I Mengenverhältnisse ergab jedoch keinen Hinweis auf eine generelle Ab- oder Zunahme an Autosomen. Die Ergebnisse zeigen die schädliche Rolle des Galektin-3 bei Prion-Infektionen des ZNS, wobei eine endo-/lysosomale Dysfunktion in Kombination mit einer reduzierten Autophagie zur Krankheitsentwicklung beiträgt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit dem therapeutischen Potential des Cholesterin-senkenden Wirkstoffs Simvastatin im murinen Prionmodell. Für Statine ist die Modulation von inflammatorischen Reaktionen und die Inhibition der Prion-Replikation in der Zellkultur beschrieben. Versuchsgruppen von Mäusen wurden mit zwei verschiedenen Infektionsdosen des Scrapie-Stammes 139A intrazerebral infiziert und 100 Tage nach Infektion mit Simvastatin behandelt. Die Behandlung hatte keinen Einfluss auf die Ablagerung des umgefalteten Prion-Proteins PrPSc, jedoch war die Expression der Gliaaktivierungsmarker MHC II (major histocompatibility complex class II) und Galektin-3 verändert. Analysen von Cholesterinsynthese und –metabolismus im Gehirn zeigten leicht reduzierte Konzentrationen von Cholesterinvorläufern aber unveränderte Konzentrationen von Cholesterin und Cholesterinmetaboliten. Die Simvastatinbehandlung führte zu einer Verzögerung des Krankheitsverlaufs und einer signifikant verlängerten Überlebenszeit bei bestehender Prion-Infektion des ZNS (p<0,01). Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der therapeutische Effekt von Simvastatin in unserem murinen Prion-Modell wahrscheinlich nicht auf dessen Cholesterin-senkende Wirkung zurückzuführen ist. Zusammengefasst weisen die Ergebnisse beider Teile dieser Arbeit auf die Bedeutung der Prion-induzierten inflammatorischen Reaktion im ZNS in der Pathogenese von Prion-Krankheiten hin und lassen den Einsatz von immunmodulatorischen/anti-inflammatorischen Wirkstoffen zur therapeutischen Intervention als sinnvoll erscheinen.