title: The effect of matrix mechanics on Aβ-induced microglial cell activation
title: Der Einfluß der Matrixmechanik auf die Aβ-induzierte Mikrogliazellaktivierung
Creators: name: Klostermeier, Stefanie
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 61 Medizin und Gesundheit :: 612 Humanphysiologie

description: The aging population in major parts of the Western world raises new health challenges for public health. It is predicted, for example, that the number of patients with Alzheimer’s disease (AD) in Europe will double in the next 25 years. While the number of Alzheimer's patients is steadily increasing, there is still no cure. Progress in the field is partly limited by the complexity of the disease and by limitations of current disease models. Mouse models can mimic hallmarks of AD, such as extracellular amyloid deposition or hyperphosphorylated tau in neurons but not both at the same time. However, the role of pathological changes in tissue mechanics in inflammatory processes and in the formation of amyloid plaques in AD is challenging to explore in vivo. In vitro models which comprehensively recapitulate the disease pathology, on the other hand, are currently scarce. Although the brain is one of our softest organs, local mechanical properties of brain tissue have a major impact on neuronal and glial cell function. CNS cells feel and respond to tissue mechanics via mechanosensitive proteins such as integrins, vinculin and mechanosensitive ion channels of the Piezo family. Disease-related changes in brain mechanics can thus lead to pathological signalling processes. For example, brains of Alzheimer's patients are softer than those of age-matched healthy tissue, and plaques are stiffer than brain tissue. Therefore, it has been suggested that changes in brain tissue stiffness may be related to the development of AD and other neurodegenerative diseases. Recent studies suggested that age-related neuroinflammatory changes may play an important role in the reduced neurogenesis and cognitive impairments in AD. The innate immune response is characterised by a proinflammatory activation of microglia, the immune cells of the brain, and the subsequent production of specific cytokines. Recent evidence suggested that microglial-specific gene expression changes are involved in AD pathogenesis. Furthermore, it has been hypothesised that microglia may function as mechanosensory cells in the development of Alzheimer's disease or other neurodegenerative diseases with neuroinflammatory components. However, the role of pathological changes in tissue mechanics in inflammatory processes and amyloid plaque formation in AD is challenging to study in vivo. In vitro models that comprehensively recapitulate disease pathology, on the other hand, are currently rare. To fill this important gap, we here developed a 3D in vitro system with tuneable mechanical properties to investigate how changes in substrate mechanics affect amyloid-beta (Aβ) crystallization and the function of microglia Mechanically tuneable alginate-based biocompatible hydrogels were developed, which were named T-gels (T-gel soft and T-gel stiff, with elastic storage and viscous loss moduli similar to those of brain tissue, respectively). We cultured human microglia cell line 3 (HMC3) (with and without synthetic Aβ aggregates) for 24 h and conducted morphometric comparisons with human AD findings. A 7-gene expression signature was assessed by quantitative polymerase chain reaction (qPCR) analysis. The morphology of synthetic Aβ plaques in our study model was similar to the morphology of plaques in the human AD brain. Consistent with recent findings in humans, we confirmed that the microglial gene expression signature of a disintegrin metalloproteinase domain-containing protein 17 (ADAM17), sialic acid-binding immunoglobulin-type lectin 11 (SIGLEC11), and ras homolog gene family member H (RHOH) increased significantly with an increase in substrate stiffness, while B-cell linker (BLNK) expression decreased (range: 5-130-fold). These gene expression changes were independent of the presence of synthetic Aβ. The application of the small molecule Yoda1, which specifically activates the mechanosensitive ion channel Piezo1, to microglia cultured in soft gels led to similar gene expression patterns as found in stiff gels, suggesting that the mechanical activation of Piezo1 contributes to the altered gene expression of Alzheimer's risk genes. Interestingly, higher gel stiffness without Aβ significantly decreased mRNA expression levels of the mechanosensitive ion channels Piezo1 and transient receptor potential cation channel subfamily V member 4 (TRPV4) to about 40%, while the presence of Aβ at higher stiffness levels significantly increased expression levels (range: 2-7-fold), suggesting that the gene expression levels of mechanosensitive channels Piezo1 and TRPV4 are dependent on both gel stiffness and the presence of Aβ. In summary, the 3D model system developed in this study was applied to study the complex relationship of substrate stiffness, Aβ aggregates and changes in microglial gene signatures. Together, our results strongly support the notion that microglial mechanosensation may play an important role in the pathophysiology of AD. It will be exciting to see if further experiments can confirm these data in in vivo mouse models and eventually in human Alzheimer's disease.
description: Die Überalterung der Bevölkerung in großen Teilen der westlichen Welt stellt die öffentliche Gesundheitsversorgung vor neue Herausforderungen. So wird beispielsweise prognostiziert, dass sich die Zahl der Alzheimer-Patienten in Europa in den nächsten 25 Jahren verdoppeln wird. Während die Zahl der Alzheimer-Patienten stetig steigt, gibt es noch immer keine Heilung. Die Fortschritte auf diesem Gebiet werden zum Teil durch die Komplexität der Krankheit und durch die Grenzen der derzeitigen Krankheitsmodelle begrenzt. Mausmodelle können die charakteristischen Merkmale der Alzheimer-Krankheit wie extrazelluläre Amyloidablagerungen oder hyperphosphoryliertes Tau in Neuronen nachahmen, jedoch nicht beide gleichzeitig. Die Rolle pathologischer Veränderungen der Gewebemechanik bei Entzündungsprozessen und bei der Bildung von Amyloid-Plaques bei Alzheimer ist jedoch in vivo schwer zu erforschen. In-vitro-Modelle, die die Krankheitspathologie umfassend rekapitulieren, sind dagegen derzeit rar. Obwohl das Gehirn eines unserer weichsten Organe ist, haben die lokalen mechanischen Eigenschaften des Hirngewebes einen großen Einfluss auf die Funktion von Neuronen und Gliazellen. ZNS-Zellen nehmen Gewebsmechanik wahr und reagieren darauf über mechanosensitive Proteine wie Integrine, Vinculin und mechanosensitive Ionenkanäle der Piezo-Familie. Krankheitsbedingte Veränderungen der Hirnmechanik können daher zu pathologischen Signalprozessen führen. So sind beispielsweise die Gehirne von Alzheimer-Patienten weicher als altersgleiches gesundes Gewebe, und Plaques sind steifer als Hirngewebe. Daher wurde vermutet, dass Veränderungen in der Steifigkeit des Hirngewebes mit der Entwicklung von Alzheimer und anderen neurodegenerativen Erkrankungen zusammenhängen könnten. Jüngste Studien legen nahe, dass altersbedingte neuroinflammatorische Veränderungen eine wichtige Rolle bei der verminderten Neurogenese und den kognitiven Beeinträchtigungen bei Alzheimer spielen könnten. Die angeborene Immunreaktion ist durch eine proinflammatorische Aktivierung der Mikroglia, der Immunzellen des Gehirns, und die anschließende Produktion spezifischer Zytokine gekennzeichnet. Jüngste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass mikroglia-spezifische Veränderungen der Genexpression an der Pathogenese der Alzheimer-Krankheit beteiligt sind. Darüber hinaus wurde die Hypothese aufgestellt, dass Mikroglia bei der Entwicklung der Alzheimer-Krankheit oder anderer neurodegenerativer Krankheiten mit neuroinflammatorischen Komponenten als mechanosensorische Zellen fungieren könnten. Die Rolle pathologischer Veränderungen der Gewebemechanik bei Entzündungsprozessen und der Bildung von Amyloid-Plaques bei Alzheimer ist jedoch in vivo nur schwer zu untersuchen. In-vitro-Modelle, die die Krankheitspathologie umfassend rekapitulieren, sind dagegen derzeit selten. Um diese wichtige Lücke zu schließen, haben wir hier ein 3D-In-vitro-System mit einstellbaren mechanischen Eigenschaften entwickelt, um zu untersuchen, wie sich Änderungen der Substratmechanik auf die Amyloid-beta (Aβ)-Kristallisation und die Funktion der Mikroglia auswirken. Es wurden mechanisch abstimmbare biokompatible Hydrogele auf Alginatbasis entwickelt, die T-Gele genannt wurden (T-Gel soft und T-Gel stiff, mit elastischen Speicher- bzw. viskosen Verlustmodulen, die denen von Hirngewebe ähneln). Wir kultivierten die menschliche Mikroglia-Zelllinie 3 (HMC3) (mit und ohne synthetische Aβ-Aggregate) für 24 h und führten morphometrische Vergleiche mit menschlichen AD-Befunden durch. Mittels quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) wurde eine 7-Gene-Expressionssignatur untersucht. Die Morphologie der synthetischen Aβ-Plaques in unserem Studienmodell war der Morphologie der Plaques im menschlichen AD-Gehirn ähnlich. In Übereinstimmung mit jüngsten Erkenntnissen beim Menschen bestätigten wir, dass die mikrogliale Genexpressionssignatur von ADAM17 (a disintegrin metalloproteinase domain-containing protein 17), SIGLEC11 (sialic acid-binding immunoglobulin-type lectin 11) und RHOH (ras homolog gene family member H) mit zunehmender Substratsteifigkeit signifikant anstieg, während die Expression von BLNK (B-cell linker) abnahm (Bereich: 5-130-fach). Diese Veränderungen der Genexpression waren unabhängig von der Anwesenheit von synthetischem Aβ. Die Anwendung des kleinen Moleküls Yoda1, das spezifisch den mechanosensitiven Ionenkanal Piezo1 aktiviert, auf Mikroglia, die in weichen Gelen kultiviert wurden, führte zu ähnlichen Genexpressionsmustern wie in steifen Gelen, was darauf schließen lässt, dass die mechanische Aktivierung von Piezo1 zur veränderten Genexpression von Alzheimer-Risikogenen beiträgt. Interessanterweise verringerte eine höhere Gelsteifigkeit ohne Aβ die mRNA-Expressionsniveaus der mechanosensitiven Ionenkanäle Piezo1 und des Transient-Receptor-Potential-Kationenkanals der Subfamilie V, Mitglied 4 (TRPV4), signifikant auf etwa 40 %, während die Anwesenheit von A bei höheren Steifigkeitsniveaus die Expressionsniveaus signifikant erhöhte (Bereich: 2- bis 7-fach), was darauf hindeutet, dass die Genexpressionsniveaus der mechanosensitiven Kanäle Piezo1 und TRPV4 sowohl von der Gelsteifigkeit als auch von der Anwesenheit von A abhängig sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das in dieser Studie entwickelte 3D-Modellsystem zur Untersuchung der komplexen Beziehung zwischen Substratsteifigkeit, Aβ-Aggregaten und Veränderungen der mikroglialen Gensignaturen eingesetzt wurde. Zusammengenommen unterstützen unsere Ergebnisse die Vorstellung, dass die mikrogliale Mechanosensibilität eine wichtige Rolle in der Pathophysiologie der Alzheimer-Krankheit spielen könnte. Es wird spannend sein zu sehen, ob weitere Experimente diese Daten in In-vivo-Mausmodellen und schließlich bei der Alzheimer-Krankheit des Menschen bestätigen können.