title: Die Rolle der Neuropeptide Calcitonin gene-related Peptide und Pituitary adenylate cyclase-activating Peptide im Superoxiddismutase 1 Mausmodell der amyotrophen Lateralsklerose
title: The role of the neuropeptides calcitonin gene-related peptide and pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide in the superoxide dismutase 1 mouse model of amyotrophic lateral sclerosis
Creators: name: Ringer, Cornelia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Medizin, Gesundheit
motorneurone disease
Myatrophische Lateralsklerose

description: Amyotrophic lateral sclerosis
      (ALS) is an adult-onset, neurodegenerative disease
      characterised by the selective loss of upper and lower motor
      neurones, resulting in progressive paralysis and death due to
      respiratory failure. Up to date no effective cure is
      available and the multifaceted molecular causes are poorly
      understood. In this context, two aspects are of special
      interest: first, the participation of neuroinflammatory
      processes in the genesis and progression of the disease and,
      second, molecular differences between motor neurons which are
      vulnerable or resistant to disease pathology, respectively.
      While the neuroprotective properties of various neuropeptides
      are well studied in Parkinson’s and Alzheimer’s disease as
      well as in ischemia and axotomy, but their role in ALS is not
      known. Therefore, the present study investigates the
      involvement of the two most promising candidates Calcitonin
      gene-related Peptide (CGRP) and Pituitary adenylate
      cyclaseactivating Polypeptide (PACAP) in the pathogenesis of
      the SOD1G93A mouse model of ALS. During ALS pathology no
      up-regulation of CGRP expression was observed in motor
      neurons of SOD1 transgenic mice. Instead, CGRP-immunoreactive
      vacuoles occurred in the neurites of brain stem motor
      neurons, starting at postnatal day (P) 40 and increasing in
      diameter with age. After degeneration of the motor neuron
      they become freely localized in the neuropil without any
      assignment to a cell type or compartment. These chances in
      CGRPimmunoreactivity clearly preceded the onset of clinical
      symptoms at P90-100 and showed a close spatiotemporal
      association with the activation of astroglia. Additionally,
      starting at P40 as well, CGRP-positive vacuoles appeared in
      other brain areas, e.g. hypothalamus and substantia nigra.
      Because some ALS patients show nigral or extra motoric
      deficits as well, these findings within the SOD1 mouse model
      are an additional strong hint for ALS being a multisystem
      disorder with different subtypes rather than a motor neuron
      specific disease. Furthermore, CGRP was identified as the
      first molecular biomarker for vulnerable motor neurones.
      Three different types of motor neurones were defined based on
      their CGRP expression level: neurons with high or low
      expression levels (high and lowCGRP), respectively, and
      neurons without CGRP expression (nonCGRP). NonCGRP motor
      neurons were found to be ALS resistant, whereas
      CGRP-expressing motor neurones were vulnerable, in a way that
      the higher their CGRP expression, the more prone to
      degenerate they were. The hitherto existing seperation of the
      resistant, extra ocular motor nuclei from other vulnerable
      motor nuclei in the brain stem also was based on CGRP
      expression. As an example, the oculomotor nucleus nearly
      exclusively consists of resistant nonCGRP motor neurons,
      whereas the highly vulnerable ambiguus nucleus is mostly
      build up by highCGRP motor neurons. Whereas a deletion of
      αCGRP had no effect on the time course of the disease in
      SOD1G93A mice, a deletion of the CGRP specific receptor
      component receptor affinity modifying protein 1 (RAMP1)
      resulted in an earlier onset of the motor dysfunctions,
      followed by a deceleration of disease progression. On the
      histological level, these changes were associated with a
      reduced neuroinflammation, most notably the absence of
      lymphocyte infiltration and a reduced astroglial activation.
      Therefore, the functional role of CGRP in ALS may be to
      activate and drive neuroinflammation and to stimulate
      lymphocyte infiltration into the brain parenchyma. Given the
      earlier disease onset but slower progression in
      RAMP1-deficient mice with lower extent of neuroinflammation,
      one could conclude that the neuroinflammation itself has a
      neuroprotective impact in early disease stages whereas in
      later stages, the effect changes to neurotoxic
      characteristics. Thus, in the already diseased ALS patient,
      application of CGRP antagonist may be a potent therapeutic
      strategy to reduce toxic components of the neuroinflammation
      and thereby slowing disease progression. PACAP was found not
      to be expressed to a significant extent in wildtype motor
      neurons. An induction of PACAP gene expression was only
      observed in a few single motor neurons in the ALS model
      studied here. But, in spite of these minimal changes , a
      depletion of PACAP in SOD1G93A mice resulted in an extension
      of life time of about 5,5%. Thus, in contrast to
      neurodegenerative disorders like Alzheimer’s and Parkinson’s
      disease or neuronal damage during axotomy or ischemia, PACAP
      seems so play a neurodestructive role during ALS pathology.
      On the histological level, a change in microglial number and
      morphology was observed, suggesting a different degree or
      later onset of activation in PACAP-deficient mice. This, in
      turn, may result in a reduction of the neurotoxic effects of
      the neuroinflammation in the late stage of the disease.
      Therefore, the use of antagonists against PACAP may exert
      some therapeutic potential as well.
description: Bei der amyotrophen Lateralsklerose
      (ALS) handelt es sich um eine tödlich verlaufende,
      neurodegenerative Erkrankung, für die bisher keine effektiven
      Therapiemöglichkeiten zur Verfügung stehen. Gekennzeichnet
      ist die ALS durch den Verlust der Motoneurone, der zur
      Denervierung der Muskulatur und letztendlich dem Tod durch
      Atemlähmung führt. Die molekularen Ursachen der ALS sind
      vielfältig und bis heute nur unzureichend aufgeklärt, aktuell
      stehen die Rolle der begleitenden Neuroinflammation und die
      molekularen Unterschiede zwischen ALS-vulnerablen und
      ALS-resistenen Motoneuronen im Zentrum der Forschung. Obwohl
      der neuroprotektive Einfluss verschiedener Neuropeptide in
      anderen neurodegenerativen Erkrankungen, Ischämie oder
      Axotomie lange bekannt ist, wurde deren Rolle bei der ALS
      bisher kaum untersucht. In der vorliegenden Arbeit sollte die
      Beteiligung der aussichtsreichsten Kandidaten Calcitonin
      gene-related Peptide (CGRP) und Pituitary adenylate
      cyclaseactivating Polypeptide (PACAP) am Krankheitsverlauf
      des SOD1G93A-Mausmodells der ALS aufgeklärt werden. Im
      Gegensatz zu Axotomie oder peripherer Inflammation war in
      somatomotorischen Neuronen keine Hochregulation der
      CGRP-Expression in ALS-kranken Mäusen zu beobachten. Doch
      traten beginnend am postnatalen Tag (P) 40
      CGRP-immunoreaktive Vakuolen in den Neuriten auf, die im
      Zeitverlauf deutlich an Volumen zunahmen und nach der
      Degeneration der Motoneurone frei im Neuropil vorlagen. Diese
      Veränderung der CGRPImmunoreaktivität ging dem Einsetzen der
      klinischen Symptomatik an P90-100 deutlich voraus und war
      räumlich und zeitlich eng mit einer Aktivierung der
      Astrozyten assoziiert. Zudem traten die Vakuolen, ebenfalls
      beginnend an P40, in extramotorischen Arealen wie dem
      Hypothalamus und der Substantia nigra auf. Da auch bei
      ALS-Patienten Störungen nigraler und extramotorischer
      Funktionen beobachtet werden, ist diese Beobachtung im
      Mausmodell ein wichtiger Hinweis darauf, dass es sich bei der
      ALS nicht ausschließlich um eine Motoneuronen-, sondern eine
      Multisystemerkrankung mit unterschiedlichen Subtypen handeln
      könnte. Desweiteren wurde mit CGRP erstmalig ein Biomarker
      für vulnerable Motoneurone identifiziert. So konnte gezeigt
      werden, dass es einerseits Motoneurone ohne CGRP-Expression
      (nonCGRP) gibt und diese gegen die ALS-Pathologie resistent
      zu sein scheinen, während andererseits Motoneurone mit
      starker oder schwacher CGRP-Expression (high und lowCGRP) im
      Zeitverlauf der Erkrankung selektiv degenerieren, und zwar
      umso früher und umso stärker, je mehr CGRP sie exprimieren.
      Die bisher vorgenommene Abgrenzung der resistenten,
      oculomotorischen Nuclei von den vulnerablen motorischen
      Nuclei im Hirnstamm resultiert ebenfalls aus der
      CGRP-Expression, da nachgewiesen werden konnte, dass sich die
      oculomotorischen Kerne in der Mehrheit aus nonCGRP-Neuronen
      zusammensetzen, während stark vulnerable Kerne wie der
      Nucleus ambiguus hauptsächlich aus highCGRP-Motoneuronen
      bestehen. Während eine Deletion von αCGRP keinen Effekt auf
      den Krankheitsverlauf des SOD1G93A-Mausmodell hatte,
      resultierte die Deletion der CGRP-spezifischen
      Rezeptorkomponente Receptor activity modifying protein 1
      (RAMP1) in einem früheren motorischen Krankheitsbeginn mit
      einem anschließend verlangsamten Verlauf der Symptomatik.
      Histopathologisch waren diese Veränderungen mit einer
      reduzierten Neuroinflammation, insbesondere einer geringeren
      Aktivierung der Astrozyten und einem Ausbleiben der
      Lymphozyteninfiltration assoziiert. Im Umkehrschluss bedeutet
      dies, dass CGRP in der ALS-Pathologie einen stimulierenden
      Einfluss auf die Neuroinflammation hat und diese zu Beginn
      der Erkrankung einen protektiven, später einen toxischen
      Effekt auf die Motoneurone ausübt. Im bereits erkrankten
      Patienten könnte der therapeutische Einsatz von
      CGRP-Antagonisten ebenfalls einen hemmenden Einfluss auf die
      neurotoxischen Komponenten der Neuroinflammation ausüben und
      somit die Krankheitsprogression verlangsamen. Während
      Motoneurone auf Axotomie mit einer starken Induktion der
      PACAP-Expression reagieren, war im Zuge der hier untersuchten
      ALS-Pathologie nur in wenigen Einzelneuronen eine Induktion
      des Neuropeptids zu beobachten. In früheren Studien an
      anderen neuronalen Erkrankungen bzw. Schädigungen wie Morbus
      Parkinson und Alzheimer, Ischämie oder Axotomie hatte PACAP
      grundsätzliche eine neuroprotektive Wirkung, ein Unterbinden
      der Signalkaskade sollte also in einem progressiveren
      Krankheitsverlauf resultieren. Entgegen dieser Erwartung
      verlängerte sich bei der Einkreuzung einer PACAP-Defizienz in
      das SOD1G93A-Mausmodell die durchschnittliche Lebenserwartung
      der Tiere jedoch um ca. 5,5%. Im Gegensatz zu anderen
      neurdegenerativen Erkrankungen scheint PACAP in der ALS also
      keinen protektiven Effekt auszuüben, sondern die Pathogenese
      zu beschleunigen. Histopathologisch war im Endstadium
      SOD1G94A-transgener Tiere unter der PACAP-Deletion eine
      amöbiode Morphologie der Mikroglia zu beobachten, während
      PACAP-kompetente Tiere bereits hypertrophe und degenerierende
      Mikroglia aufwiesen. Dies deutete auf eine geringere oder
      verzögerte Aktivierung der Mikroglia in PACAP-defizienten
      Tieren hin. Die damit einhergehende Reduktion der
      neurotoxischen Wirkung der Neuroinflammation könnte die
      Verzögerung des Krankheitsverlaufs erklären. Entsprechend
      besitzt auch im Falle von PACAP der Einsatz von Antagonisten
      ein therapeutisches Potential bezüglich einer Hemmung der
      Krankheitsprogression in der ALS-Pathogenese.