title: Structural and functional characterization of multiple system atrophy and promyelinogenic repair strategies
title: Strukturelle und funktionelle Charakterisierung der Multisystematrophie sowie promyelinogene Reparaturstrategien
Creators: name: Mészáros, Lisa
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 50 Naturwissenschaften :: 507 Ausbildung, Forschung, verwandte Themen

description: Classified as atypical parkinsonian disorder, multiple system atrophy (MSA) is an orphan, but rapidly progressive neurodegenerative disease without curative therapy at present. With an average onset in the 6th decade of life, MSA is clinically manifested by a wide range of symptoms including autonomic failure, parkinsonism, and cerebellar ataxia. Depending on the predominant symptom, MSA patients are currently classified into a parkinsonian (MSA-P) or cerebellar subtype (MSA-C). Previous research has developed animal models recapitulating the MSA-P-relevant striatonigral pathology, comprising glial cytoplasmic inclusions (GCI) of α-synuclein (α-syn), myelin and neuronal loss accompanied by an inflammatory response of myeloid cells. However, no model has been described for MSA-C with underlying olivopontocerebellar pathology so far. The transgenic MSA mouse model overexpressing human α-syn controlled by the oligodendroglial myelin basic protein promotor (MBP29 mouse) resembles important features of MSA-P, but with so far unknown cerebellar phenotype. The lack of a robust MSA-C model leads to the first hypothesis of this thesis that MBP29 mice are mirroring important structural and functional features of MSA-C as well. First, MSA-C associated cerebellar features were further characterized using human post-mortem tissue of MSA-C patients and healthy controls. Besides the prototypical GCI pathology, a profound myelin loss was observed despite a preserved number of oligodendrocytes in the cerebellar white matter (cbw) accompanied by a severe microgliosis and a substantial loss of Purkinje cells. Building upon these results, the MBP29 mouse model was structurally analyzed at a prodromal stage and a more advanced stage of disease. Matching the olivopontocerebellar pathology of MSA-C, GCI pathology within the cbw was already present at an early stage of disease along with a severe myelin deficit, increased number of oligodendrocytes, and myeloid cells within the cbw of MBP29 mice. Degeneration of Purkinje cells and loss of the calcium-binding protein calbindin were detected at an advanced disease stage. To further assess the impact of pathological changes on motor function, a comprehensive longitudinal gait analysis was performed in MBP29 mice and non-transgenic littermates. Interestingly, altered parameters comprise walking speed, stride length and width between hind paws as well as dual diagonal, dual lateral, and three paw support reflecting the prototypical pattern of a wide-based and unsteady MSA-C-related ataxic gait. A subsequent subgroup analysis comparing transgenic mice of the long-term analysis with dropout mice revealed the dual lateral support as possible predictor for early mortality. As α-syn-induced oligodendroglial dysfunction and myelin deficit might be a promising interventional target to slow down disease progression, the second hypothesis focused on the identification of promyelinogenic compounds, particularly comparing antimuscarinics and thyroid hormone receptor agonists. Small molecules were therefore first validated in primary rat-derived oligodendrocyte precursor cells (OPCs) by RNA, protein, and metabolomic analyses. These compounds were further tested in MBP29 mice-derived OPCs to examine their potential to overcome α-syn-induced oligodendroglial dysfunction. To confirm their potential to restore myelin ensheathment, a co-culture system with nanofibers mimicking axons was established. The results confirm that both thyromimetics and muscarinic antagonists restore α-syn-induced oligodendroglial dysfunction and myelin deficit. Based on these promising in vitro findings, but considering the adverse side effects of antimuscarinics, the downstream signaling was further investigated in order to define a more specific drug target for remyelination. It was therefore hypothesized that antimuscarinics drive myelination via the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway. Interestingly, muscarinic antagonists did not change the activation of MAPK-related kinases, but showed a specific additive effect on oligodendroglial differentiation together with an extracellular signal-regulated kinase (ERK) inhibitor, which was not observed in the combination with thyroid hormone. In conclusion, the findings within this thesis strongly supports that the MBP29 mouse model mimics important structural characteristics of the MSA-C subtype and moreover present a cerebellum-related ataxic phenotype. Thus, this mouse model depicts a powerful tool for both expanding MSA-C-related research and evaluating future interventional strategies. Furthermore, oligodendroglial dysfunction might be a promising target for interventional strategies in MSA.
description: Das atypische Parkinson-Syndrom Multisystematrophie (MSA) ist eine seltene, jedoch schnell fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, für die bisher keinerlei kausalen Therapieansätze zur Verfügung stehen. Mit Einsetzen der Symptome im sechsten Lebensjahrzehnt manifestiert sich die MSA durch ein breites Spektrum an Symptomen, darunter das Versagen des autonomen Nervensystems, Parkinsonismus sowie zerebelläre Ataxie. Dabei gibt das Leitsymptom vor, ob Patienten dem Parkinson- (MSA P) oder dem zerebellären (MSA-C) Subtypen zugeordnet werden. In diesem Kontext sind vor allem präklinische Tiermodelle generiert worden, die die MSA-P-relevante striatonigrale Pathologie widerspiegeln, einschließlich der glialen zytoplasmatischen Inklusionen (GCI) von α-Synuklein (α-syn), dem Myelin- sowie neuronalen Verlust, als auch der Entzündungsreaktion durch myeloide Zellen. Dennoch ist bislang kein Tiermodell beschrieben worden, welches auch die MSA-C-spezifische olivopontozerebelläre Pathologie aufweist. Für das transgene MSA-Mausmodell, welches humanes α-syn unter dem Oligodendrozyten-spezifischen Myelin-Basischen Protein-Promotor exprimiert (MBP29-Maus), sind bisher nur die für MSA-P charakteristischen pathologischen Merkmale beschrieben worden. Aufgrund des Fehlens eines validen MSA-C-Modells verfolgt die erste Hypothese dieser Dissertation die Charakterisierung des MBP29-Mausmodells hinsichtlich wichtiger struktureller sowie funktioneller Veränderungen des Kleinhirns spezifisch für die MSA-C-Erkrankung. Hierfür wurde zunächst die mit MSA-C assoziierte zerebelläre Pathologie mittels humanen post-mortem-Gewebes von MSA-C-PatientInnen und gesunden ProbandInnen eingehend untersucht. Neben der prototypischen GCI-Pathologie, wurde ein erheblicher Myelinverlust trotz unveränderter Anzahl an Oligodendrozyten in der zerebellären weißen Substanz gefunden, der mit einer starken Mikrogliose sowie einem bedeutenden Verlust an Purkinjezellen begleitet wurde. Basierend auf den Ergebnissen der humanen post-mortem-Analyse wurde das MBP29-Mausmodell strukturell zu einem prodromalen und einem weit fortgeschrittenen Zeitpunkt der Erkrankung analysiert. Mit der MSA-C-spezifischen olivopontozerebellären Pathologie übereinstimmend, lag eine GCI-Pathologie innerhalb der weißen Substanz des Zerebellums bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Erkrankung in MBP29-Mäusen vor und ging mit einer erhöhten Anzahl an Oligodendrozyten sowie myeloischer Zellen einher. Degeneration von Purkinjezellen und der Verlust des Calcium-bindenden Proteins Calbindin wurden erst zu einem fortgeschrittenen Stadium der Erkrankung festgestellt. Um im Weiteren den Einfluss der pathologischen Veränderungen auf die motorischen Funktionen zu evaluieren, wurde eine umfassende, longitudinale Ganganalyse der MBP29-Mäuse im Vergleich zu nicht-transgenen Mäusen durchgeführt. Interessanterweise deuten die veränderten Gangparameter, wie Ganggeschwindigkeit, Schrittlänge, Gangbreite der Hinterpfoten, als auch dual diagonaler, dual lateraler sowie dreibeiniger Pfoteneinsatz auf einen breitbasigen und unsicheren Gang hin, der der MSA-C-assoziierten ataktischen Gangstörung entspricht. Eine anschließende Subgruppenanalyse, welche transgene Tiere der longitudinalen Analyse mit früher verstorbenen transgenen Tieren vergleicht, zeigte den dual lateralen Pfoteneinsatz als möglichen Prädiktor für frühe Mortalität. Da die α-syn-induzierte Oligodendrozytendysfunktion und der damit einhergehende Myelinverlust ein vielversprechendes therapeutisches Target zur Verlangsamung des Krankheitsverlaufs darstellen könnte, fokussiert sich die zweite Hypothese auf die Identifizierung von promyelinogenen Substanzen, im Wesentlichen Antimuskarinergika sowie Thyroidhormonagonisten. Hierfür wurden potentielle Wirkstoffe zunächst in einer Kultur aus primären, Ratten-derivierten Oligodendrozytenvorläuferzellen (OPCs) mittels RNA-, Protein- und Metabolom-Analysen validiert. Das Potential dieser Wirkstoffkandidaten die α-syn-induzierte Oligodendrozytendysfunktion zu verbessern, wurde im Anschluss in OPCs aus MBP29-Mäusen evaluiert. Um auch deren Einfluss auf die Myelinisierung zu charakterisieren, wurden MBP29-Maus-derivierte OPCs in einer mit Nanofasern, die Axone imitieren, kultiviert und analysiert. Die Ergebnisse bestätigen die Annahme, dass Thyroidhormonanaloga und Antimuskarinergika die α-syn-induzierte Oligodendrozytendysfunktion und den damit einhergehenden Myelinverlust kompensieren können. Auf Grundlage der vielversprechenden Ergebnisse und der Limitierung durch beträchtliche Nebenwirkungen der Antimuskarinergika, wurde deren nachgeschalteter Signalweg untersucht, um möglicherweise ein spezifischeres Target für die Remyelinisierung zu finden. Es wurde daher die Hypothese aufgestellt, dass antimuskarinerge Substanzen über den mitogen-aktivierten Proteinkinase (MAPK) Signalweg die Myelinisierung steuern. Erstaunlicherweise nahmen die Wirkstoffe keinen unmittelbaren Effekt auf die Aktivierung des MAPK-Signalweges, allerdings zeigten sie mit gleichzeitiger Gabe eines Inhibitors der extrazellulär signal-regulierenden Kinasen einen additiven Effekt auf die Oligodendrozytendifferenzierung, der mit dem Thyroidhormon nicht auftrat. Abschließend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation, dass das MBP29-Mausmodell wichtige Parallelen der zerebellären Pathologie des MSA-C-Subtyps aufweist und darüber hinaus durch ein Zerebellum-assoziiertes, ataktisches Gangbild charakterisiert ist. Daher erweist sich dieses Mausmodell als geeignetes, präklinisches Modell, um einerseits die MSA-C-bezogene Forschung zu vertiefen und andererseits zukünftige Therapieansätze zu untersuchen. Des Weiteren könnte die Oligodendrozytendysfunktion insbesondere die Remyelinisierung ein aussichtsreiches therapeutisches Ziel darstellen.