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Fabry disease (FD) is an X-linked lysosomal storage disorder with intracellular accumulation of globotriaosylceramide (Gb3) due to α-galactosidase A deficiency. We studied α-galactosidase A knockout mice (GLA KO) as a model for sensory disturbance and pain in FD.
Pain associated behavior of young (3 months) and old (≥18 months) GLA KO mice and wildtype (WT) littermates in an inflammatory and a neuropathic pain model was investigated. Furthermore, affective and cognitive behavior was assessed in the naïve state and in an inflammatory pain model. Gene and protein expression of pain associated ion channels and Gb3 accumulation in dorsal root ganglion (DRG) neurons was determined. We also performed patch clamp analysis on cultivated DRG neurons and human embryonic kidney 293 (HEK) cells expressing voltage-gated-sodium channel 1.7 (Nav1.7) as an in vitro model of FD. Intracellular Gb3 deposits were modulated using shRNA silencing of α-galactosidase A.
After intraplantar injection of complete Freund`s adjuvant (CFA) and chronic constriction injury (CCI) of the right sciatic nerve, old GLA KO mice did not develop heat and mechanical hypersensitivity in contrast to young GLA KO and old WT mice. Additionally, we found no relevant differences between genotypes and age-groups in affective and cognitive behavior in the naïve state and after CFA injection. Gene and protein expression analysis provided no explanation for the observed sensory impairment. However, cultured DRG neurons of old GLA KO mice revealed a marked decrease of sodium and Ih-currents compared to young GLA KO and old WT mice. DRG neurons of old GLA KO mice displayed substantial intracellular accumulation of Gb3 compared to young GLA KO and old WT mice. Similar to cultured neurons, sodium currents were also decreased in HEK cells treated with shRNA and consecutively increased intracellular Gb3 deposits compared to the control condition, but could be rescued by treatment with agalsidase-alpha.
Our study unveils that, similar to patients with FD, GLA KO mice display age-dependent sensory deficits. However, contrary to patients, GLA KO mice are also protected from hypersensitivity induced by inflammation and nerve lesion due to Gb3-dependent and reversible reduction of neuronal sodium- and Ih-currents. Our data provide evidence for direct Gb3-dependent ion channel impairment in sensory DRG neurons as a potential contributor to sensory dysfunction and pain in FD.
Neuropathic pain, caused by neuronal damage, is a severely impairing mostly chronic condition. Its underlying molecular mechanisms have not yet been thoroughly understood in their variety. In this doctoral thesis, I investigated the role of microRNAs (miRNAs) in a murine model of peripheral neuropathic pain. MiRNAs are small, non-coding RNAs known to play a crucial role in post-transcriptional gene regulation, mainly in cell proliferation and differentiation. Initially, expression patterns in affected dorsal root ganglia (DRG) at different time points after setting a peripheral nerve lesion were studied. DRG showed an increasingly differential expression pattern over the course of one week. Interestingly, a similar effect, albeit to a smaller extent, was observed in corresponding contralateral ganglia. Five miRNA (miR-124, miR-137, miR-183, miR-27b, and miR-505) were further analysed. qPCR, in situ hybridization, and bioinformatical analysis point towards a role for miR-137 and -183 in neuropathic pain as both were downregulated. Furthermore, miR-137 is shown to be specific for non-peptidergic non-myelinated nociceptors (C fibres) in DRG. As the ganglia consist of highly heterocellular tissue, I also developed a neuron-specific approach. Primarily damaged neurons were separated from intact adjacent neurons using fluorescence-activated cell-sorting and their gene expression pattern was analysed using a microarray. Thereby, not only were information obtained about mRNA expression in both groups but, by bioinformatical tools, also inferences on miRNA involvement. The general expression pattern was consistent with previous findings. Still, several genes were found differentially expressed that had not been described in this context before. Among these are corticoliberin or cation-regulating proteins like Otopetrin1. Bioinformatical data conformed, in part, to results from whole DRG, e.g. they implied a down-regulation of miR-124, -137, and -183. However, these results were not significant.
In summary, I found that a) miRNA expression in DRG is influenced by nerve lesions typical of neuropathic pain and that b) these changes develop simultaneously to over-expression of galanin, a marker for neuronal damage. Furthermore, several miRNAs (miR-183, -137) exhibit distinct expression patterns in whole-DRG as well as in neuron-specific approaches. Therefore, further investigation of their possible role in initiation and maintenance of neuropathic pain seems promising.
Finally, the differential expression of genes like Corticoliberin or Otopetrin 1, previously not described in neuropathic pain, has already resulted in follow-up projects.
Die MP4-induzierte experimentelle autoimmune Encephalomyelitis (EAE) erlaubt eine fokussierte Betrachtung von B-Zellen, die eine wichtige Rolle bei der Pathogenese der Multiplen Sklerose (MS) spielen. Es konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass das Vorhandensein von B-Zell-Aggregaten im zentralen Nervensystem (ZNS) von MS-Patienten mit einem aggravierten Krankheitsverlauf assoziiert war. Diese Follikel könnten dabei als ektope lymphatische Strukturen den Immunprozess aktiv gestalten und somit ein therapeutisches Ziel darstellen. In der vorliegenden Studie wurde der Effekt des Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptor-Modulators Fingolimod (FTY720) auf die autoreaktive B-Zell-Antwort und speziell die Bildung von B-Zell-Aggregaten im Kleinhirn der MP4-EAE-Mäuse untersucht.
Zielsetzung der Studie war es, Ablagerungen des phosphorylierten Alpha-Synucleins in der Haut von Patienten mit Morbus Parkinson und atypischen Parkinson-Syndromen zu untersuchen und deren Auswirkungen auf das periphere Nervensystem zu erforschen.
Dazu wurden Hautbiopsien von 92 Patienten mit Morbus Parkinson, 12 Patienten mit MSA und 13 Patienten mit einer Tauopathie sowie 83 gesunden Kontrollpersonen immunhisto-chemisch gefärbt und unter dem Mikroskop untersucht.
Mit einer Sensitivität von 52 % für den Morbus Parkinson und 67 % für die MSA bei hoher Spezifität stellt der Nachweis von Phospho-Alpha-Synuclein in den kleinen Nervenfasern der Haut einen geeigneten Biomarker dar. Während die Ablagerungen des phosphorylierten Alpha-Synucleins bei Patienten mit Morbus Parkinson eher in autonomen Strukturen nachweisbar waren, fanden sie sich bei Patienten mit MSA eher in sub- und intraepidermal gelegenen Nervenfasern. Phospho-Alpha-Synuclein konnte in allen untersuchten Nervenfasersubtypen nachgewiesen werden, also in CGRP-, SP-, TH- und VIP-positiven Fasern. Bei den in der vorliegenden Studie untersuchten Parkinson-Patienten waren keine Veränderungen in der sensiblen Neurographie des Nervus suralis erkennbar. Die intraepidermale Nervenfaserdichte sowie die Innervation der Schweißdrüsen waren jedoch teilweise vermindert und auch in der QST zeigten sich Auffälligkeiten. Ein Zusammenhang zu dem Vorhandensein von Phospho-Alpha-Synuclein-Ablagerungen konnte jedoch nur für die Innervation der Musculi arrectores pilorum hergestellt werden. Bei der Untersuchung der pathophysiologischen Hintergründe, durch die Phospho-Alpha-Synuclein-Ablagerungen zu Nervenfaserschädigungen führen, konnten die Hinweise auf eine Beteiligung von axonalen Transportproteinen, Mikrotubuli oder Mitochondrien nicht erhärtet werden.
microRNAs in chronic pain
(2016)
Chronic pain is a common problem in clinical practice, not well understood clinically, and frequently tough to satisfactorily diagnose. Because the pathophysiology is so complex, finding effective treatments for people with chronic pain has been overall less than successful and typically reduced to an unsatisfactory trial-and-error process, all of which translates into a significant burden to society. Knowledge of the mechanisms underlying the development of chronic pain, and moreover why some patients experience pain and others not, may aid in developing specific treatment regimens. Although nerve injuries are major contributors to pain chronification, they cannot explain the entire phenomenon. Considerable research has underscored the importance of the immune system for the development and maintenance of chronic pain, albeit the exact factors regulating inflammatory reactions remain unclear. Understanding the putative molecular and cellular regulator switches of inflammatory reactions will open novel opportunities for immune modulatory analgesics with putatively higher specificity and less adverse effects. It has become clear that small, non- coding RNA molecules known as microRNAs are in fact potent regulators of many thousands of genes and possibly cross-communicate between cellular pathways in multiple systems acting as so-called “master-switches”. Aberrant expression of miRNAs is now implicated in numerous disorders, including nerve injuries as well as in inflammatory processes. Moreover, compelling evidence supports the idea that miRNAs also regulate pain, and in analogy to the oncology field aid in the differential diagnosis of disease subtypes. In fact, first reports describing characteristic miRNA expression profiles in blood or cerebrospinal fluid of patients with distinct pain conditions are starting to emerge, however evidence linking specific miRNA expression profiles to specific pain disorders is still insufficient. The present thesis aimed at first, identifying specific miRNA signatures in two distinct chronic pain conditions, namely peripheral neuropathies of different etiologies and fibromyalgia syndrome. Second, it aimed at identifying miRNA profiles to better understand potential factors that differentiate painful from painless neuropathies and third, study the mechanistic role of miRNAs in the pathophysiology of pain, to pave the way for new druggable targets.
Three studies were conducted in order to identify miRNA expression signatures that are characteristic for the given chronic pain disorder. The first study measured expression of miR-21, miR-146a and miR-155 in white blood cells, skin and nerve biopsies of patients with peripheral neuropathies. It shows that peripheral neuropathies of different etiologies are associated with increased peripheral miR-21 and miR-146a, but decreased miR-155 expression. More importantly, it was shown that painful neuropathies have increased sural nerve miR-21 and miR-155 expression, but reduced miR-146a and miR-155 expression in distal skin of painful neuropathies. These results point towards the potential use of miRNAs profiles to stratify painful neuropathies. The seconds study extends these findings and first analyzed the role of miR-132-3p in patients and subsequently in an animal model of neuropathic pain. Interestingly, miR-132-3p was upregulated in white blood cells and sural nerve biopsies of patients with painful neuropathies and in animals after spared nerve injury. Pharmacologically modulating the expression of miR-132-3p dose-dependently reversed pain behavior and pain aversion, indicating the pro-nociceptive effect of miR-132-3p in chronic pain. This study thus demonstrates the potential analgesic impact by modulating miRNA expression. Fibromyalgia is associated with chronic widespread pain and, at least in a subgroup, impairment in small nerve fiber morphology and function. Interestingly, the disease probably comprises subgroups with different underlying pathomechanisms. In accordance with this notion, the third study shows that fibromyalgia is associated with both aberrant white blood cell and cutaneous miRNA expression. Being the first of its kind, this study identified miR-let-7d and its downstream target IGF-1R as potential culprit for impaired small nerve fiber homeostasis in a subset of patients with decreased intra-epidermal nerve fiber density. The work presented in this thesis is a substantial contribution towards the goal of better characterizing chronic pain based on miRNA expression signatures and thus pave the way for new druggable targets.
The number of newly detected autoantibodies (AB) targeting synaptic proteins in neurological disorders of the central nervous system (CNS) is steadily increasing. Direct interactions of AB with their target antigens have been shown in first studies but the exact pathomecha-nisms for most of the already discovered AB are still unclear. The present study investigates pathophysiological mechanisms of AB-fractions that are associated with the enigmatic CNS disease Stiff person syndrome (SPS) and target the synaptically located proteins amphiphysin or glutamate decarboxylase 65 (GAD65).
In the first part of the project, effects of AB to the presynaptic endocytic protein amphiphysin were investigated. Ultrastructural investigations of spinal cord presynaptic boutons in an es-tablished in-vivo passive-transfer model after intrathecal application of human anti-amphiphysin AB showed a defect of endocytosis. This defect was apparent at high synaptic activity and was characterized by reduction of the synaptic vesicle pool, clathrin coated vesi-cles (CCVs), and endosome like structures (ELS) in comparison to controls. Molecular inves-tigation of presynaptic boutons in cultured murine hippocampal neurons with dSTORM microscopy after pretreatment with AB to amphiphysin revealed that marker proteins involved in vesicle exocytosis (synaptobrevin 2 and synaptobrevin 7) had an altered expression in GA-BAergic presynapses. Endophilin, a direct binding partner of amphiphysin also displayed a disturbed expression pattern. Together, these results point towards an anti-amphiphysin AB-induced defective organization in GABAergic synapses and a presumably compensatory rearrangement of proteins responsible for CME.
In the second part, functional consequences of SPS patient derived IgG fractions containing AB to GAD65, the rate limiting enzyme for GABA synthesis, were investigated by patch clamp electrophysiology and immunohistology. GABAergic neurotransmission at low and high activity as well as short term plasticity appeared normal but miniature synaptic potentials showed an enhanced frequency with constant amplitudes. SPS patient IgG after preabsorption of GAD65-AB using recombinant GAD65 still showed specific synaptic binding to neu-rons and brain slices supporting the hypothesis that additional, not yet characterized AB are present in patient IgG responsible for the exclusive effect on frequency of miniature potentials.
In conclusion, the present thesis uncovered basal pathophysiological mechanisms underlying paraneoplastic SPS induced by AB to amphiphysin leading to disturbed presynaptic architec-ture. In idiopathic SPS, the hypothesis of a direct pathophysiological role of AB to GAD65 was not supported and additional IgG AB are suspected to induce distinct synaptic malfunction.
Der Einfluss von Autoantikörpern gegen Aquaporin 4 bei der Pathogenese der Neuromyelitis optica
(2014)
Neuromyelitis optica (NMO) ist eine schwerwiegende Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems, deren pathogene Ursache in Zusammenhang mit Autoantikörpern gegen Aquaporin 4 (AQP4) steht. In einem intrathekalen Passiv-Transfermodell der Ratte wurden die Auswirkungen von NMO-Immunglobulin (IgG) aus Plasmapheresematerial und rekombinanten Antikörpern gegen AQP4 sowie der Effekt von additiver Applikation von humanem Komplement untersucht. NMO-IgG, rekombinante Antikörper und modifizierte Antikörper ohne Fähigkeit zur Aktivierung der Komplementkaskade waren bei repetitiver Applikation in der Lage, auch ohne additives humanes Komplement NMO-ähnliche progrediente motorische Symptome zu induzieren. Durch Ko-Injektion von humanem Komplement konnte keine signifikante Exazerbation der Pathologie bewirkt werden.
MRT-Studien zeigten lokale Schrankenstörungen am Ort der höchsten Antikörperkonzentration. In histologischen Aufarbeitungen von Rückenmarksschnitten zeigten sich lokale Deposition an humanem IgG, ein dazu korrelierender Verlust an AQP4 sowie eine darüber hinausgehende Reduktion des Glutamattransporters EAAT2, während GFAP-reaktive Astrozyten tendenziell hypertroph und vermehrt waren. Auch bei additiver Applikation von humanem Komplement wiesen die Läsionsareale im Gegensatz zu histopathologischen Befunden bei NMO-Patienten und anderen Tiermodellen nur eine geringe Ablagerung von aktivem Komplement und wenig Infiltration durch ED1-positive Makrophagen auf. Da in einem Kontrollexperiment mit intrazerebraler intraparenchymaler Applikation von NMO-IgG die beschriebene additive Zytotoxizität von humanem Komplement reproduziert werden konnte, erscheint die Verwendbarkeit des intrathkalen Modells zur Evaluation der Wirkung von humanem Komplement bei Autoimmunerkrankungen mit intraspinalen Zielepitopen nicht geeignet.
Die Ergebnisse lassen sich als Komplement-unabhängige intrinsische Wirkungen von Antikörpern gegen AQP4 deuten, die in einer Reduktion der Oberflächenexpresseion von AQP4 und EAAT2 resultieren und zu einer progredienten Myelopathie führen. Neben der bekannten Antikörper-induzierten Komplement-abhängigen Zytotoxizität könnten diese Effekte einen bislang nicht beschriebenen zusätzlichen Pathomechanismus bei der NMO darstellen.
Veränderung der Ranvier’schen Schnürringarchitektur bei Patienten mit diabetischer Neuropathie
(2021)
In der Krankheitsentstehung der diabetischen Neuropathie wird die paranodale Demyelinisierung als ein möglicher Pathomechanismus diskutiert, wobei Studien mit Gewebeproben von Patienten aufgrund der Invasivität limitiert sind. In der vorliegenden Studie wurden periphere Nervenfasern in Hautbiopsien von Patienten mit diabetischer Neuropathie und in Patienten mit Diabetes mellitus ohne Neuropathie untersucht. Ziel war es, nodale und paranodale Veränderungen, wie eine Dispersion der paranodalen Proteine Caspr und Neurofascin oder der nodalen Na-Kanäle, zu detektieren und die Proben auf verlängerte Ranvier`sche Schnürringe zu untersuchen.
Es wurde die Hypothese überprüft, dass paranodale Demyelinisierungen bei Patienten mit diabetischer Neuropathie in Hautbiopsien, als minimal-invasive Methode, nachweisbar sind. Hautproben von Patienten mit Diabetes mellitus ohne Neuropathie sollten zudem in einem frühen Krankheitsstadium untersucht werden.
Für die Untersuchung konnten 35 Patienten mit einer diabetischen Neuropathie, 17 Patienten mit Diabetes mellitus und 31 Kontrollen eingeschlossen werden. Immunfluoreszenzfärbungen mit Antikörpern gegen Caspr, Neurofascin und Natrium-Kanälen wurden zur Analyse der Ranvier`schen Schnürringarchitektur durchgeführt und ausgewertet.
Eine erhöhte Anzahl an verlängerten Schnürringen, als Zeichen einer segmentalen Demyelinisierung, konnte in den Patienten mit diabetischer Neuropathie aber auch in Patienten mit Diabetes mellitus nachgewiesen werden. Weiterhin waren vermehrt Veränderungen der paranodalen Proteine, wie eine Dispersion von Caspr und Neurofascin in den Proben des Fingers der Patienten mit diabetischer Neuropathie sowie eine Dispersion von Neurofascin im Unterschenkel in beiden Patientengruppen nachweisbar. Interessanterweise waren einzelne Veränderungen auch in den gesunden Kontrollen auffindbar.
Veränderungen der Schnürringarchitektur lassen sich mithilfe der Hautbiopsie nachweisen und quantifizieren. Nodale und paranodale Veränderungen weisen auf demyelinisierende Prozesse in Patienten mit diabetischer Neuropathie hin und finden sich auch bereits in einem frühen Krankheitsstadium.
The impact of acquired severe motor impairments is pervasive and may lead to a complete loss of communication and voluntary motor control, rendering the patient behaviourally unresponsive. In routine clinical care it may thus be unclear, whether some of these patients are even conscious. Given that finding a cure is unlikely, care focuses on providing the best possible quality of life (QoL), and knowing its predictors might contribute to that aim. Patients who still can communicate often report a high QoL, and several predictors have been identified. However, many instruments used to assess QoL require at least residual verbal and motor abilities. Thus, a method to assess QoL independent of these requirements is desirable. In addition, many instruments assume QoL to be temporarily stable, and little information is available on predictors of instantaneous QoL, i.e. QoL as it fluctuates from moment to moment throughout the day.
Die Blut-Nerven-Schranke stellt eine Barriere zwischen den Axonen und dem Gewebe, das sie umgibt, dar. Durch verschiedene Mechanismen wird die intraneurale Homöostase aufrecht erhalten, welche für die Funktion der Axone essentiell ist. Auf der einen Seite stellt die Blut-Nerven-Schranke einen Schutzmechanismus für Nerven dar. Auf der anderen Seite erschwert sie die Applikationen von Pharmaka, z.B. Analgetika, sodass bis dato Lokalanästhetika die einzige Substanzklasse darstellen, welche zur gezielten örtlichen, analgetischen Therapie in der breiten Verwendung ist. Das Netzwerk der Tight junctions im Perineurium ist eine Schlüsselkomponente für die Funktion der Blut-Nerven-Schranke. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass durch pharmakologische Interaktion mit den Tight Junctions eine Schrankenöffnung erzielt werden kann. Dieser Effekt wurde durch unsere Arbeitsgruppe nachgewiesen für das von der N-terminalen Schleife des Claudin-1 abgeleitete Peptid C1C2, hypertone Substanzen, wie HTS und den Gewebeplasminogenaktivator tPA. Durch Anwendung solcher Wirkstoffvermittler könnte das Axon für andere Substanzklassen erreichbar werden. Die Fragestellung dieser Arbeit war, ob sich durch die lokale Anwendung dieser Pharmaka am N. ischiadicus von Wistar Ratten toxische Effekte ergeben. Hierzu wurden immunhistochemische Färbungen mit einem Anti-CD68- Antikörper zur Darstellung von endoneuralen Makrophagen als Zeichen einer lokalen Entzündungsreaktion verwendet. Weiterhin wurden die Nerven mit Hilfe histomorphometrischer Analysen auf morphologische Veränderungen hin untersucht. Keine der untersuchten Substanzen bewirkte eine Zunahme von endoneuralen Makrophagen im Vergleich zur scheinbehandelten Kontrollgruppe. Die Positivkontrolle eines N. ischiadicus nach chronischer Konstriktionsläsion (CCI) zeigte hingegen eine massive Vermehrung endoneuraler Makrophagen. Bei der morphometrischen Analyse zeigte sich nur bei der mit tPA behandelten Gruppe eine Abnahme der g-Ratio, welche das Verhältnis von Myelinschicht zu Faserdurchmesser wiederspiegelt. Die anderen Teilaspekte der Untersuchung blieben unauffällig. Aus dieser Arbeit kann geschlossen werden, dass sich mit den verwendeten Untersuchungsmethoden für keine der untersuchten Substanzen eine lokal toxische Wirkung nachweisen lässt. Um die Aussagekraft bezüglich der Anwendungssicherheit weiter zu erhöhen, wären im weiteren Verlauf Versuchsreihen mit Blick auf mögliche Langzeitwirkungen und etwaige systemtoxische Wirkungen von besonderer Bedeutung