title: The effects of the α7 nicotinic acetylcholine agonist PNU-282987 and the nicotonic acetylcholine antagonist mecamylamine on neuroinflammation and neurodegeneration in the acute MPTP mouse model of Parkinson’s disease
title: Die Effekte des α7-nikotinergen Acetylcholin-Agonisten PNU-282987 und des nikotinergen Acetylcholin-Antagonisten Mecamylamin auf Neuroinflammation und Neurodegeneration im akuten MPTP-Mausmodell des Morbus Parkinson
Creators: name: Stuckenholz, Vanessa
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: cholinerger anti-inflammatorischer Signalweg
PNU-282987
MPTP , Mikroglia
Mecamylamin
cholinergic anti-inflammatory signaling pathway
α7-nikotinerger Acetylcholin-Rezeptor
Medizin, Gesundheit
mecamylamine
Parkinson-Krankheit
α7 nicotinic acetylcholine receptor

description: Parkinson’s disease (PD) is one of
      the most common neurodegenerative disorders. Its pathogenetic
      hallmarks are the degeneration of dopaminergic neurons and an
      accompanying neuroinflammation in the substantia nigra pars
      compacta (SNpc). Despite intensive research, the aetiology of
      PD remains still unknown and there is no causal treatment yet
      available. Increasing evidence suggests that
      neuroinflammation in the SNpc caused by activated microglia
      is not only a result of dopaminergic neurodegeneration but
      also contributing to the cell loss. Damage of dopaminergic
      neurons in the SNpc results in an activation of microglial
      cells. Activated microglia produce a range of
      pro-inflammatory and potentially neurotoxic factors, e.g. the
      cytokines IL-1β, IL-6 and TNF-α, that can harm dopaminergic
      neurons in turn. This vicious circle – also known as reactive
      microgliosis – describes a self-propelling neurotoxicity
      which leads to a progressive neurodegeneration. During severe
      infections, the body has the potential to adjust the
      magnitude of inflammation by means of the inflammatory reflex
      by the autonomic nervous system. The efferent arm of this
      inflammatory reflex is termed the cholinergic
      anti-inflammatory signaling pathway. A major component of
      this pathway is the α7 nicotinic acetylcholine (α7 nACh)
      receptor which is expressed on immune cells like microglia.
      Its activation results in an inhibition of NFκB nuclear
      translocation, an activation of the Jak2/STAT3 signaling
      pathway and accordingly a decreased production of
      pro-inflammatory cytokines. Experimental models of several
      inflammatory diseases have shown that activation of the
      cholinergic anti-inflammatory signaling pathway can dampen
      inflammation and improve survival. Whether neuroinflammation
      caused by activated microglia in the SNpc can be affected by
      activation of the cholinergic anti-inflammatory signaling
      pathway and whether this could be a putative therapy approach
      of PD was to be examined in this study. Using the acute MPTP
      mouse model, the effects of the selective α7 nACh agonist
      PNU-282987 and the nACh antagonist mecamylamine have been
      investigated. The MPTP mouse model is the most commonly used
      animal model of Parkinson’s disease. As a neurotoxin MPTP
      selectively destroys dopaminergic neurons in the SNpc and
      induces PD. The relatively high dosing of the acute MPTP
      intoxication applied in this study (4x 20mg/kg body weight
      intraperitoneal at intervals of 2 hours) produces a distinct
      neuroinflammation and activation of microglia. To evaluate
      the extent of neuroinflammation the striatal concentrations
      of the pro-inflammatory cytokines IL-1β, IL-6 and TNF-α as
      well as of the anti-inflammatory cytokine IL-10 were
      quantified using an ELISA. The amount of activated microglia
      in the SNpc was assessed using immunohistochemistry. The
      impact of the treatment on dopaminergic neurodegeneration was
      assessed by means of the number of dopaminergic neurons in
      the SNpc. In addition, striatal levels of dopamine,
      3,4-dihydroxyphenylacetic acid (DOPAC) and homovanillic acid
      as well as the dopamine turnover were determined. Possible
      effects on motor performance were investigated using the
      rotarod test. Treatment with PNU-282987 resulted in an
      attenuation of neuroinflammation in the MPTP-lesioned SNpc.
      PNU-282987 was able to dampen activation of microglia in the
      SNpc and to diminish the MPTP-induced increase of striatal
      IL-1β and TNF-α. Furthermore, PNU-282987 attenuated the
      MPTP-induced dopaminergic cell loss in the SNpc and reduced
      striatal dopamine depletion. The concentration of DOPAC was
      increased as well. This neuroprotective effect of PNU-282987
      is likely due to its anti-inflammatory potential, but may
      also be partly explained by its possible modulating effect on
      neurotransmitter release, as the α7 nACh receptor is also
      found presynaptically on neurons where it acts as a
      ligand-gated ion channel. Application of the nACh antagonist
      mecamylamine led to an attenuation of neuroinflammation
      against one’s expectations. It did not act neuroprotective
      though. This is probably due to its properties as an
      unselective nACh antagonist. The findings of this study
      strongly support the idea of a central cholinergic
      anti-inflammatory signaling pathway and demonstrate that
      activation of the α7 nACh receptor may provide a putative
      therapeutic target in the treatment of PD.
description: Das idiopathische Parkinson-Syndrom
      (IPS) zählt zu den häufigsten neurodegenerativen
      Erkrankungen. Es ist pathogenetisch durch die Degeneration
      dopaminerger Neurone und eine begleitende Neuroinflammation
      in der Substantia nigra pars compacta (SNpc) gekennzeichnet.
      Die Ätiologie der Erkrankung ist trotz intensiver Forschung
      unbekannt. Ein kausaler Therapieansatz konnte bisher nicht
      gefunden werden. Zunehmend gibt es Evidenz dafür, dass die
      durch aktivierte Mikroglia ausgelöste Neuroinflammation in
      der SNpc nicht nur Folge der dopaminergen Degeneration ist,
      sondern selbst zum Zelluntergang beiträgt. Bei Schädigung
      dopaminerger Neurone in der SNpc kommt es zur
      Mikroglia-Aktivierung. Aktivierte Mikroglia sezernieren eine
      Reihe pro-inflammatorischer und potentiell neurotoxischer
      Faktoren, darunter die Zytokine IL-1β, IL-6 und TNF-α, die
      wiederum dopaminerge Neurone schädigen können. Dieser
      Circulus vitiosus – auch als reaktive Mikrogliose bezeichnet
      – beschreibt eine sich selbst aufrechterhaltende
      Neurotoxizität, die zu einer fortschreitenden
      Neurodegeneration führt. Bei schweren Infektionen hat der
      Körper die Möglichkeit, das Ausmaß der Inflammation über den
      inflammatorischen Reflex des autonomen Nervensystems zu
      regulieren. Dessen efferenter Arm wird als cholinerger
      anti-inflammatorischer Signalweg bezeichnet. Wichtiger
      Bestandteil dieses Signalwegs ist der α7-nikotinerge
      Acetylcholin (α7-nACh)-Rezeptor, der auf Immunzellen wie
      Mikroglia exprimiert wird. Seine Aktivierung führt u.a. zu
      einer Hemmung der NFκB-Translokation in den Zellkern, zur
      Aktivierung des Jak2/STAT3-Signalwegs und in der Folge zu
      einer verminderten Produktion pro-inflammatorischer Zytokine.
      In experimentellen Modellen verschiedener entzündlicher
      Erkrankungen konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung
      dieses Signalwegs die Inflammation eindämmen und das
      Überleben verbessern kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war
      es zu untersuchen, ob die Neuroinflammation in der SNpc über
      diesen Signalweg beeinflussbar ist und ob dies einen
      möglichen Therapieansatz des IPS darstellen könnte. Anhand
      des akuten MPTP-Mausmodells wurden die Effekte des selektiven
      α7-nACh-Agonisten PNU-282987 und des nACh-Antagonisten
      Mecamylamin auf Neuroinflammation und dopaminerge
      Neurodegeneration untersucht. Das MPTP-Mausmodell ist das am
      häufigsten verwendete Tiermodell der Parkinson-Erkrankung.
      MPTP ist ein Neurotoxin, das selektiv dopaminerge Neurone in
      der SNpc zerstört und zum Parkinson-Syndrom führt. Die
      relativ hohe Dosierung der hier angewandten akuten
      MPTP-Intoxikation (4x 20mg/kg Körpergewicht intraperitoneal
      im Abstand von 2 Stunden) führt zudem zu einer ausgeprägten
      Neuroinflammation. Um das Ausmaß der Neuroinflammation zu
      beurteilen, wurden die striatalen Konzentrationen der
      pro-inflammatorischen Zytokine IL-1β, IL-6 und TNF-α sowie
      des anti-inflammatorischen Zytokins IL-10 mittels ELISA
      bestimmt. Die Anzahl aktivierter Mikroglia in der SNpc wurde
      immunhistochemisch erfasst. Die Auswirkungen der Behandlung
      auf die dopaminerge Neurodegeneration wurden anhand der
      Anzahl immunhistochemisch nachgewiesener dopaminerger Neurone
      in der SNpc untersucht. Zudem wurden die striatalen
      Konzentrationen von Dopamin, 3,4-Dihydroxyphenylessigsäure
      (DOPAC) und Homovanillinsäure ebenso wie der Dopamin-Umsatz
      bestimmt. Mögliche Auswirkungen auf das motorische Verhalten
      der Tiere sollten mit Hilfe des Rotarod-Tests erfasst werden.
      Die Behandlung mit PNU-282987 hat die Neuroinflammation in
      der SNpc im akuten MPTP-Mausmodell abgeschwächt, indem es die
      Mikroglia-Aktivierung vermindert und den MPTP-induzierten
      Konzentrationsanstieg von IL-1β und TNF-α reduziert hat.
      PNU-282987 konnte darüber hinaus den MPTP-bedingten
      dopaminergen Zelluntergang in der SNpc sowie den striatalen
      Dopaminmangel reduzieren. Auch die Konzentration von DOPAC
      wurde erhöht. Die neuroprotektive Wirkung von PNU-282987 ist
      wahrscheinlich auf sein anti-inflammatorisches Potential
      zurückzuführen. Allerdings ist nicht auszuschließen, dass
      PNU-282987 auch über eine Modulation der
      Neurotransmitter-Freisetzung gewirkt haben könnte. Immerhin
      findet sich der α7-nACh-Rezeptor auch auf präsynaptischen
      Neuronen im Striatum, wo er als ligandengesteuerter
      Calciumkanal fungiert. Die Gabe des nACh-Antagonisten
      Mecamylamin führte wider Erwarten ebenfalls zu einer
      reduzierten Neuroinflammation. Allerdings wirkte Mecamylamin
      nicht neuroprotektiv, was möglicherweise auf seine
      Eigenschaften als unselektiver Antagonist an nACh-Rezeptoren
      zurückzuführen ist. Die Ergebnisse dieser Studie bekräftigen
      die Annahme, dass ein zentraler cholinerger
      anti-inflammatorischer Signalweg existiert, und demonstrieren
      das therapeutische Potential einer Aktivierung des
      α7-nACh-Rezeptors in der Behandlung des IPS.