Annemarie Schulte

• Plexus injury often occurs after motor vehicle accidents and results in lifelong disability with severe neuropathic pain. Surgical treatment can partially restore motor functions, but sensory loss and neuropathic pain persist. Regenerative medicine concepts, such as cell replacement therapies for restoring dorsal root ganglia (DRG) function, set high expectations. However, up to now, it is unclear which DRG cell types are affected by nerve injury and can be targeted in regenerative medicine approaches. This study followed the hypothesis thatPlexus injury often occurs after motor vehicle accidents and results in lifelong disability with severe neuropathic pain. Surgical treatment can partially restore motor functions, but sensory loss and neuropathic pain persist. Regenerative medicine concepts, such as cell replacement therapies for restoring dorsal root ganglia (DRG) function, set high expectations. However, up to now, it is unclear which DRG cell types are affected by nerve injury and can be targeted in regenerative medicine approaches. This study followed the hypothesis that satellite glial cells (SGCs) might be a suitable endogenous cell source for regenerative medicine concepts in the DRG. SGCs originate from the same neural crest-derived cell lineage as sensory neurons, making them attractive for neural repair strategies in the peripheral nervous system. Our hypothesis was investigated on three levels of experimentation. First, we asked whether adult SGCs have the potential of sensory neuron precursors and can be reprogrammed into sensory neurons in vitro. We found that adult mouse DRG harbor SGC-like cells that can still dedifferentiate into progenitor-like cells. Surprisingly, expression of the early developmental transcription factors Neurog1 and Neurog2 was sufficient to induce neuronal and glial cell phenotypes. In the presence of nerve growth factor, induced neurons developed a nociceptor-like phenotype expressing functional nociceptor markers, such as the ion channels TrpA1, TrpV1 and NaV1.9. In a second set of experiments, we used a rat model for peripheral nerve injury to look for changes in the DRG cell composition. Using an unbiased deep learning-based approach for cell analysis, we found that cellular plasticity responses after nerve injury activate SGCs in the whole DRG. However, neither injury-induced neuronal death nor gliosis was observed. Finally, we asked whether a severe nerve injury changed the cell composition in the human DRG. For this, a cohort of 13 patients with brachial plexus injury was investigated. Surprisingly, in about half of all patients, the injury-affected DRG showed no characteristic DRG tissue. The complete entity of neurons, satellite cells, and axons was lost and fully replaced by mesodermal/connective tissue. In the other half of the patients, the basic cellular entity of the DRG was well preserved. Objective deep learning-based analysis of large-scale bioimages of the “intact” DRG showed no loss of neurons and no signs of gliosis. This study suggests that concepts for regenerative medicine for restoring DRG function need at least two translational research directions: reafferentation of existing DRG units or full replacement of the entire multicellular DRG structure. For DRG replacement, SGCs of the adult DRG are an attractive endogenous cell source, as the multicellular DRG units could possibly be rebuilt by transdifferentiating neural crest-derived sensory progenitor cells into peripheral sensory neurons and glial cells using Neurog1 and Neurog2.…
• Plexusläsionen treten häufig nach Verkehrsunfällen auf und führen zu lebenslangen Einschränkungen mit starken neuropathischen Schmerzen. Eine operative Behandlung kann die motorischen Funktionen teilweise wiederherstellen, dennoch bleiben Verlust der Sensorik und neuropathische Schmerzen bestehen. Ansätze der regenerativen Medizin, wie z. B. Zellersatztherapien zur Wiederherstellung der Funktion der Spinalganglien, wecken hohe Erwartungen. Bislang ist jedoch vollkommen unklar, welche Zelltypen der Spinalganglien von der NervenverletzungPlexusläsionen treten häufig nach Verkehrsunfällen auf und führen zu lebenslangen Einschränkungen mit starken neuropathischen Schmerzen. Eine operative Behandlung kann die motorischen Funktionen teilweise wiederherstellen, dennoch bleiben Verlust der Sensorik und neuropathische Schmerzen bestehen. Ansätze der regenerativen Medizin, wie z. B. Zellersatztherapien zur Wiederherstellung der Funktion der Spinalganglien, wecken hohe Erwartungen. Bislang ist jedoch vollkommen unklar, welche Zelltypen der Spinalganglien von der Nervenverletzung betroffen sind und bei Ansätzen der regenerativen Medizin gezielt eingesetzt werden sollten. Hier war die Hypothese, dass Satellitengliazellen (SGCs) eine geeignete endogene Zellquelle für Ansätze der regenerativen Medizin in den Spinalganglien sein könnten. SGCs und sensorische Neurone stammen von denselben Stammzellen der Neuralleiste ab, was SGCs für neurale Reparaturstrategien im peripheren Nervensystem attraktiv macht. Unsere Hypothese wurde auf drei Ebenen experimentell untersucht. Zuerst stellten wir die Frage, ob adulte SGCs das Potenzial haben, neuronale Vorläufermerkmale anzunehmen und in vitro in sensorische Neuronen reprogrammiert werden können. Hierbei zeigte sich, dass Spinalganglien der Maus adulte SGC-ähnliche Zellen beherbergen, die sich in vorläuferähnliche Zellen dedifferenzieren können. Überraschenderweise war die Expression der frühen entwicklungsrelevanten Transkriptions-faktoren Neurog1 und Neurog2 ausreichend, um neuronale und gliale Phänotypen zu induzieren. In Anwesenheit des Neurotrophins NGF (nerve growth factor) entwickelten die induzierten Neurone einen Nozizeptor-ähnlichen Phänotyp, der funktionelle Marker für Nozizeptoren wie die Ionenkanäle TrpA1, TrpV1 und NaV1.9 exprimierte. In einer zweiten Reihe von Experimenten haben wir in einem Rattenmodell für periphere Nervenverletzungen Veränderungen in der Zellzusammensetzung von Spinalganglien untersucht. Mithilfe eines objektiven Deep Learning basierten Ansatzes zur Bildanalyse fanden wir im gesamten DRG SGCs, die auf Nervenverletzungen mit einer hohen zellulären Plastizität reagierten. Es wurde jedoch weder ein verletzungsbedingter neuronaler Verlust noch eine Gliose beobachtet. Schließlich untersuchten wir, ob eine schwere Nervenverletzung die Zellzusammensetzung in menschlichen Spinalganglien verändert. Dazu wurde eine Kohorte von 13 Patienten mit einer Verletzung des Plexus brachialis untersucht. Überraschenderweise zeigte sich in verletzten Spinalganglien bei etwa der Hälfte aller Patienten kein Spinalgangliengewebe mehr. Die gesamte Einheit aus Neuronen, Satellitengliazellen und Axonen war verloren und vollständig durch mesodermales Bindegewebe ersetzt. Bei der anderen Hälfte der Patienten war die grundlegende zelluläre Einheit des Spinalganglions gut erhalten. Eine objektive, auf Deep Learning basierende Analyse von großflächigen Mikroskopiebildern des "intakten" Spinalganglions zeigte keinen Verlust von Neuronen und keine Anzeichen von Gliose. Diese Studie legt nahe, dass zur Wiederherstellung der Funktionen des Spinalganglions mindestens zwei translationale Forschungsrichtungen der regenerativen Medizin erforderlich sind: Reafferenzierung bestehender Spinalganglion-Einheiten oder vollständiger Ersatz der gesamten multizellulären Spinalganglion-Struktur. Für den Ersatz des Spinalganglions sind SGCs des adulten Spinalganglions eine plausible endogene Zellquelle. Die multizellulären Einheiten des Spinalganglions könnten möglicherweise durch eine Neurog1- und Neurog2- induzierte Transdifferenzierung von sensorischen Vorläuferzellen der Neuralleiste in periphere sensorische Neuronen und Gliazellen wiederaufgebaut werden.…