Sebastian Doerck

• Der adoptive Transfer myelinspezifischer, enzephalithogener T-Lymphozyten führt bei Lewis-Ratten zu einer monophasisch verlaufenden Enzephalomyelitis (AT-EAE). Das Tiermodell AT-EAE ist gut geeignet, um die Transmigration von Lymphozyten über die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ins Hirngewebe zu untersuchen. Der Einwanderung aktivierter Lymphozyten in das ZNS-Parenchym geht eine komplexe Kaskade von Zell-Zell-Interaktionen zwischen Lymphozyten und Endothel der BHS voraus. Die endothelialen Adhäsionsmoleküle Intercellular Adhesion Molecule 1 (ICAM-1)Der adoptive Transfer myelinspezifischer, enzephalithogener T-Lymphozyten führt bei Lewis-Ratten zu einer monophasisch verlaufenden Enzephalomyelitis (AT-EAE). Das Tiermodell AT-EAE ist gut geeignet, um die Transmigration von Lymphozyten über die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ins Hirngewebe zu untersuchen. Der Einwanderung aktivierter Lymphozyten in das ZNS-Parenchym geht eine komplexe Kaskade von Zell-Zell-Interaktionen zwischen Lymphozyten und Endothel der BHS voraus. Die endothelialen Adhäsionsmoleküle Intercellular Adhesion Molecule 1 (ICAM-1) und Vascular Adhesion Molecule 1 (VCAM-1) sind entscheidend an diesem Prozess beteiligt. Mit einer kürzlich entwickelten, ultraschallbasierte molekularen Bildgebung und Quantifizierung ist die sequentielle Messung der Moleküle ICAM-1 und VCAM-1 im Verlauf der AT-EAE am lebenden Tier möglich. Schon vor dem Einsetzen der ersten klinischen Symptomatik zeigte sich bei den Versuchstieren ein Anstieg der Expression der Zelladhäsionsmoleküle ICAM-1- und VCAM-1.Diese Expression persistierte unerwartet über das Maximum der klinischen Symptomatik hinaus und bis in die Phasen der frühen Remission. Immunhistochemische Färbungen von Gehirn und Rückenmark bestätigten diese Expressionskinetik in situ. Darüber hinaus konnte histologisch und durchflusszytometrisch eine Persistenz CD4-positiver Lymphozyten in der frühen Remissionphase nachgewiesen werden. Hier war vor allem ein Anstieg der CD4- und FoxP3- positiven regulatorischen T-Zellen in der CD4 Subpopulation festzustellen. Diesen Zellen wird eine wichtige regulatorische Bedeutung für die Beendigung von Entzündungsreaktionen zugeschrieben. Ein experimentellen Beleg dafür, dass regulatorische Zellen in den Phasen der Remission die selben Migrationswege wie proinflammatorische Zellen nutzen, ergab sich durch die Blockade von ICAM-1 mit hohen Dosen eines monoklonalen Antikörpers. Wurde dieser AK in der Progressionsphase der Erkrankung gegeben, resultierte dies in einer signifikanten Reduktion der klinischen Symptomatik. Im Gegensatz dazu führte die spätere Gabe des Antikörpers in der frühen Remission zu einer signifikanten Verschlechterung des Krankheitverlaufes. In Zusammenschau legen diese Ergebnisse die Hypothese nahe, dass Adhäsionsmoleküle wie ICAM-1 nicht nur an der Einwanderung pathogener proinflammatorischer Zellen entscheidend beteiligt sind, sondern dass sie auch die Einwanderung antiinflammorischer und regulatorischer Zellen in das ZNS ermöglichen, die für eine Abschwächung der Gewebsentzündung und Zerstörung wichtig sind. Therapeutische Intervention an der BHS sind auf dem Boden dieser Erkenntnisse wahrscheinlich stadienabhängig wirksam und könnten bei falschem Einsatz mehr schaden als nutzen. Molekulare Bildgebungstechniken, wie hier paradigmatisch für die. ultraschallbasierten SPAQ-Technologie gezeigt, werden deshalb in Zukunft für die Bestimmung der geeigneten Phase einer entzündlichen ZNS Erkrankung und damit den geeigneten Zeitpunkt für eine therapeutische Intervention großes Potential erlangen.…
• Inflammatory cells enter the central nervous system (CNS) by using a cascade of cell adhesion molecules. In recent years the blockade of adhesion molecules has become a promising therapeutic concept to treat multiple sclerosis and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Despite impressive therapeutic achievements there are conflicting results and unexpected side effects when blocking adhesion molecules. To gain a better understanding of the processes at the blood brain barrier we performed ultrasound-based molecularInflammatory cells enter the central nervous system (CNS) by using a cascade of cell adhesion molecules. In recent years the blockade of adhesion molecules has become a promising therapeutic concept to treat multiple sclerosis and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Despite impressive therapeutic achievements there are conflicting results and unexpected side effects when blocking adhesion molecules. To gain a better understanding of the processes at the blood brain barrier we performed ultrasound-based molecular imaging of the kinetics of adhesion molecule expression together with an analysis of the composition of cellular infiltrates. We applied the new ultrasound-based quantification system SPAQ in adoptive transfer EAE, a suitable model for the analysis of cell migration. By using targeted microparticles specific for ICAM-1 and VCAM-1 we performed sequential imaging of ICAM-1 and VCAM-1 in adoptive transfer EAE. Repetitive ultrasound scans of ICAM-MP and VCAM-MP over the course of AT MBP-EAE revealed a significant up-regulation of adhesion molecules before the clinical onset of disease. In addition we found a persistent up-regulation of cell adhesion molecules beyond the disease maximum which was extended into the phase of clinical remission. Immunohistological analysis of the inflammatory lesions revealed high numbers of CD4+ and CD8+ cells within the CNS being detected in the phase of disease progression but also in the stage of early clinical remission. This qualitative impression could be confirmed by serial quantitative FACS-Analysis of T-cell subsets from homogenized CNS. Interestingly, the composition of CNS infiltrating lymphocytes changed over time: in the phase of clinical remission increased numbers of Fox-p3-positive regulatory T-cells were noted, suggesting that adhesion molecules might not only mediate the influx of inflammatory cells but also allow regulatory T-cells to enter the CNS. To proof this hypothesis we treated AT MBP-EAE animals with high dose of purified monoclonal antibodies to ICAM-1 either in the phase of disease progression or in early clinical remission. Administration of anti-ICAM-1 in the phase of disease progression suppressed EAE whereas treatment during clinical remission leads to an aggravation of clinical symptoms. Our data demonstrates that ultrasound based molecular imaging at the blood brain barrier is a suitable and useful tool for serial monitoring of molecular interactions pertinent to CNS inflammation. Our results suggest that adhesion molecules are not only important for capture and migration of pro-inflammatory cells into the CNS but may also be mandatory for the transmigration of regulatory T-cells. Therefore it is likely to assume that intervention at the blood brain barrier is time dependent and could result in different therapeutic outcomes depending on the phase of lesion development. This advocates the need for reliable molecular imaging methods helping to determine the exact time point for therapeutic intervention, such as ultrasound based molecular imaging techniques.…