Studies on a preclinical model of brain autoimmunity using emerging magnetic resonance methods

Abstract

Central nervous system (CNS) inflammatory disorders such as multiple sclerosis and acute disseminated encephalomyelitis are associated with the recruitment and invasion of immune cells into the CNS that ultimately leads to white matter demyelination, neurodegeneration and development of neurological symptoms. A clinical diagnosis is often made when neurodegenerative processes are already ongoing. In this work three main studies employing state-of-the- art Magnetic Resonance (MR) methods were performed in the animal model Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE), in order to study the underlying pathologies of CNS inflammation. In the first study, the goal was to seek early indicators of disease. By employing cryogenically-cooled RF coils to acquire micro MR imaging (µMRI) in vivo, with superior spatial resolution, it was possible to reveal brain pathology as microscopic changes in the brain parenchyma. µMRI revealed lesions as hyper-intense and hypo- intense regions, before the appearance of clinical symptoms. The lesions were observed in the cerebellum white matter and the cortex and were suggestive of immune cell infiltration as demonstrated by conventional histology. In the second study, the temporal and spatial distributions of brain modifications observed in the previous study were systematically investigated during inflammation throughout the development of EAE. Thanks to the reduced scan time achieved using the cryogenically-cooled coil technology it was possible to follow a large cohort of EAE mice. This study revealed significant enlargement in ventricle size and an increase in free water content within the cerebrospinal fluid (CSF) prior to disease clinical manifestation. Apart from this macroscopic change, this study demonstrated that microscopic lesions commonly observed in the cerebellum also became evident prior to disease onset. The data suggested that early changes in ventricle size and lesion presentation during brain autoimmunity could be an indicator of the events preceding neurological disease manifestation and necessitate additional exploration in preclinical and clinical studies. In the third study, the dynamics of inflammatory cells between central nervous system and lymphatic system were investigated during development of EAE. The nature of immune cell infiltration during brain inflammation was studied by a novel Fluorine/Proton (19F/1H) MR neuroimaging technique and application of fluorescently-tagged 19F nanoparticles. In this study it was possible to detect changes in inflammatory cell migration over an extensive period of time by changes in the fluorine signal within the draining lymph nodes and regions of inflammation in CNS such as cerebellum, brain stem and cortex.

Entzündungserkrankungen des zentralen Nervensystems (ZNS) wie Multiple Sklerose und Akute disseminierte Enzephalomyelitis sind verbunden mit der Aktivierung und Einwanderung von Immunzellen in das ZNS, was letztlich zu Demyelinisierung der weißen Gehirnsubstanz, Neurodegeneration und Entwicklung von neurologischen Symptomen führt. Eine klinische Diagnose wird jedoch oft erst gestellt, wenn neurodegenerative Prozesse bereits im Gange sind. In dieser Arbeit wurden drei Studien unter Einsatz modernster Methoden der Magnetresonanz (MR) im Experimentelle Autoimmun Enzephalomyelitis (EAE) Tiermodell durchgeführt, um die zugrunde liegenden Pathologien der ZNS- Entzündung zu untersuchen. Ziel der ersten Studie war es, Frühindikatoren der Krankheit ausfindig zu machen. Durch Verwendung kryogener Hochfeld (HF)-Spulen bei der in vivo MR-Bildgebung mit hervorragender räumlicher Auflösung im Mikrometer Bereich (μMRI) war es möglich, Gehirnpathologien als mikroskopische Veränderungen im Gehirnparenchym zu enthüllen. Durch μMRI wurden Läsionen als hyper- und hypo-intensive Regionen noch vor dem Auftreten klinischer Symptome enttarnt. Die Läsionen wurden im Kleinhirn (lat. Cerebellum) der weißen Substanz und im Cortex beobachtet, und deuten auf Immunzellinfiltration hin, was durch konventionelle Histologie bestätigt wurde. In der zweiten Studie wurden die zeitlichen und räumlichen Verteilungen der Gehirnveränderungen aus der vorherigen Studie während der Entwicklung von EAE systematisch untersucht. Durch die kryogen-gekühlte Empfangsspulen-Technologie war es möglich die Akquisitionszeit soweit zu reduzieren, dass eine große Anzahl von EAE-Mäusen untersucht werden konnte. Diese Studie offenbarte eine signifikante Vergrößerung des Ventrikels und eine Zunahme von freiem Wasser in die Liquor cerebrospinalis noch bevor sich die Krankheit klinisch bemerkbar macht. Abgesehen von diesen makroskopischen Veränderung zeigte diese Studie, dass sich mikroskopische Läsionen, die üblicherweise im Cerebellum beobachtet werden, schon vor Beginn der Erkrankung bemerkbar machen. Die Daten zeigten, dass eine frühzeitige Veränderungen der Ventrikelgröße und das Auftreten von Läsionen während der Autoimmunität im Gehirn ein Frühindikator sein könnte, noch bevor sich ein neurologisches Krankheitsbild herausbildet, was eine zusätzliche Untersuchung in präklinischen und klinischen Studien erforderlich macht. In der dritten Studie wurde die Dynamik der Entzündungszellen zwischen dem zentralen Nervensystem und dem lymphatischen System während der EAE- Ausbildung untersucht. Die Art und Weise der Immunzellinfiltration während der Gehirnentzündung wurde anhand einer neuartigen Fluor / Proton (19F / 1H) MR Neuro-Bildgebungstechnik und der Verwendung von fluoreszierenden 19F Nanopartikeln untersucht. In dieser Studie war es möglich, Änderungen in der Migration der Entzündungszellen durch Veränderungen des Fluorsignals in den ableitenden Lymphknoten und in den Entzündungsregionen des ZNS, wie Kleinhirn, Hirnstamm und Cortex, über einen ausgedehnten Zeitraum zu detektieren.