Stroke is a leading cause of morbidity and mortality in developed countries. Treatment options are limited to pharmacological thrombolysis and mechanical thrombectomy despite extensive efforts to develop new treatment strategies for acute stroke and aftercare. Ongoing research aims to reduce lethal stroke complications such as pneumonia, to rescue brain tissue from ischemic damage with neuroprotective substances, and importantly, to improve long-term outcomes in stroke patients by modulating chronic immune responses in the brain. The disruption of cerebral perfusion leads to an activation of the innate immune system and enables an infiltration of adaptive immune cells into the ischemic brain tissue. Delayed accumulation of B lymphocytes in ectopic lymphoid structures (ELS) within the infarct area has been associated with post-stroke cognitive decline, as displayed in vascular dementia. Therefore, we aimed to investigate the effect of late CD4+ T cell depletion on B cell responses in the brain and the long-term functional outcome after stroke. Repeated injections of monoclonal CD4-antibody at day three to nine after 60min middle cerebral artery occlusion (MCAo) in 2D2 mice (strain carrying transgenic T cell receptors reactive to myelin oligodendrocyte glycoprotein) successfully prevented initial infiltration of CD4+ T cells to the ischemic area. B cell numbers and ELS formation were reduced in CD4-depleted mice when compared to an isotype-treated control group at 14 days after stroke. Once the peripheral CD4+ T cell population had recovered, CD4+ T and B lymphocytes infiltrated the ischemic brain and formed ELS with evidence for local B cell differentiation and antibody production. Even though we found no difference regarding lymphocyte numbers and ELS phenotype between treatment groups at late time-points, CD4 depletion had a beneficial effect on cognitive functions after stroke. Taken together, these main findings indicate a pivotal role for CD4+ T cells in delayed autoreactive B cell responses after stroke and their contribution to cognitive decline. In a second publication we investigated the mechanisms of stroke-induced immunodepression syndrome (SIDS). Stroke leads to suppression of the immune system via the autonomic nerve system and especially cholinergic signaling, which promotes stroke-associated pneumonia (SAP). CNS-reactive immune responses can be exacerbated by systemic infections on the one hand and decreased by SIDS on the other. In an aspiration model with Streptococcus pneumoniae, a typical Gram-positive pathogen of SAP, we found reduced bacterial clearance in the lung with an altered pulmonary immune cell repertoire in animals with stroke when compared to controls. In this aspiration model, using different knockout models for nicotinic acetylcholine receptors, we did not find evidence for functional involvement of cholinergic mechanisms in mediating SIDS, as observed in a spontaneous SAP model with predominantly Gram-negative bacteria. In a third paper, we demonstrated a protective effect of glycolic acid on neuronal metabolism. Glycolic acid resulted in better performance in various behavioral tests in mice when administered during reperfusion after stroke. If this protective effect is confirmed in further studies, intra-arterial application would also be feasible in humans in the acute phase of stroke, during mechanical recanalization by thrombectomy. Overall, this dissertation provides further evidence for dysregulation of the immune system in the chronic phase after stroke. Here, an exaggerated immune response of autoreactive lymphocytes in the brain seems to contribute to the development of cognitive deficits, whereas peripheral immunosuppression by the autonomic nervous system promotes severe infections. In addition to direct neuroprotective approaches, these pathomechanisms offer new targets for immunomodulatory therapeutic strategies. However the sometimes opposing immune mechanisms in the CNS and peripheral organs such as the lungs need to be considered.
Der ischämische Schlaganfall gehört zu den häufigsten Ursachen für Tod und lebenslange Behinderung. In der Akutphase wird der Krankheitsverlauf durch den Untergang von Nervengewebe und systemische Infektionen bestimmt, während in der Folgezeit autoreaktive Immunprozesse im Hirn mutmaßlich zur Entstehung von Demenz beitragen. Zerebrale Ischämie führt durch Aktivierung des angeborenen und später des erworbenen Immunsystems zu einer lokalen Entzündungsreaktion. Dabei bilden CD4+ T-Zellen und B-Zellen ektope lymphfollikelähnliche Strukturen (ELS) im Hirn, was mit der Entstehung von verzögert auftretenden kognitiven Defiziten als Form der vaskulären Demenz in Verbindung gebracht wurde. Die vorliegende Arbeit beleuchtet verschiedene Aspekte der Pathophysiologie des Schlaganfalls anhand eines Mausmodells. Schwerpunktmäßig wurde die Rolle von CD4+ T-Zellen bei autoreaktiven B-Zellantworten nach Schlaganfall untersucht. Hierfür induzierten wir einen ischämischen Schlaganfall in 2D2-Mäusen und injizierten einen Anti-CD4-Antikörper. So wurden die peripheren CD4+ T-Zellen depletiert und deren anfängliche Infiltration in das ischämische Gewebe verhindert. Das Ausmaß der B-Zellinfiltration und ELS-Bildung im Hirn waren zwei Wochen nach Schlaganfall im Vergleich mit Kontrolltieren signifikant reduziert. Jedoch begann die Infiltration von CD4+ T- und B-Lymphozyten ins ischämische Hirn erneut, sobald sich die periphere CD4+ T-Zellpopulation erholt hatte. Sieben bis zehn Wochen nach Schlaganfall entstanden ELS mit Anzeichen von lokaler B-Zelldifferenzierung und Antikörperproduktion. Obwohl zu diesen Zeitpunkten kein Unterschied in der Lymphozytenzahl und dem Organisationsgrad der ELS zwischen den Behandlungsgruppen festzustellen war, hatte die CD4-Depletion positive Auswirkungen auf die kognitive Funktion. Insgesamt sprechen diese Ergebnisse für eine Schlüsselrolle von CD4+ T Zellen bei der autoreaktiven Immunantwort nach Schlaganfall und ihrer Beteiligung an den verzögert auftretenden kognitiven Defiziten nach Schlaganfall. In der zweiten Arbeit untersuchten wir Mechanismen des Schlaganfall-induzierten Immundepressionssyndroms (SIDS). Schlaganfall führt über autonome und insbesondere auch cholinerge Signale zu einer Suppression des Immunsystems, wodurch Schlaganfall-assoziierte Pneumonien (SAP) begünstigt werden. Autoreaktive Immunantworten können durch systemische Infektionen einerseits verstärkt und andererseits durch die Immundepression vermindert werden. In einem Aspirationsmodell mit Streptococcus pneumoniae, einem typischen Gram-positiven Erreger der SAP, konnten wir bei Tieren mit Schlaganfall eine reduzierte bakterielle Clearance bei verändertem pulmonalem Immunzellrepertoire im Vergleich zu Kontrolltieren ohne Schlaganfall nachweisen. In diesem Aspirationsmodell konnten wir mit Hilfe verschiedener Knockout-Modelle nikotinerger Acetylcholinrezeptoren keinen Hinweis für die funktionelle Beteiligung cholinerger Mechanismen in der Vermittlung von SIDS feststellen, wie dies bei einem spontanen SAP-Modell mit überwiegend Gram-negativen Bakterien beobachtet wurde. In der dritten Arbeit konnten wir eine protektive Wirkung von Glykolsäure für den neuronalen Metabolismus nachweisen. Glykolsäure führte in Mäusen zu besseren Leistungen in verschiedenen Verhaltenstests, wenn sie während der Reperfusion nach Schlaganfall verabreicht wurde. Sollte der protektive Effekt sich in weiteren Studien bestätigen, wäre auch beim Menschen eine intraarterielle Anwendung in der Akutphase des Schlaganfalls, während der mechanischen Rekanalisation mittels Thrombektomie, möglich. Insgesamt liefert diese Doktorarbeit weitere Belege für eine Dysregulation des Immunsystems während der chronischen Phase nach Schlaganfall. Hierbei scheint eine überschießende Immunreaktion von autoreaktiven Lymphozyten im Hirn zur Entstehung von kognitiven Defiziten beizutragen, während die periphere Immunsuppression durch das vegetative Nervensystem schwere Infektionen begünstigt. Neben direkten neuroprotektiven Ansätzen liefern diese Pathomechanismen neue Targets für immunmodulatorische Therapiestrategien, wobei die teils gegenläufigen Immunmechanismen im ZNS und peripheren Organen wie der Lunge berücksichtigt werden müssen.
