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While there is abounding literature on virus-induced pathology in general and coronavirus in particular, recent evidence accumulates showing distinct and deleterious brain affection. As the respiratory tract connects to the brain without protection of the blood–brain barrier, SARS-CoV-2 might in the early invasive phase attack the cardiorespiratory centres located in the medulla/pons areas, giving rise to disturbances of respiration and cardiac problems. Furthermore, brainstem regions are at risk to lose their functional integrity. Therefore, long-term neurological as well as psychiatric symptomatology and eventual respective disorders cannot be excluded as evidenced from influenza-A triggered post-encephalitic Parkinsonism and HIV-1 triggered AIDS–dementia complex. From the available evidences for coronavirus-induced brain pathology, this review concludes a number of unmet needs for further research strategies like human postmortem brain analyses. SARS-CoV-2 mirroring experimental animal brain studies, characterization of time-dependent and region-dependent spreading behaviours of coronaviruses, enlightening of pathological mechanisms after coronavirus infection using long-term animal models and clinical observations of patients having had COVID-19 infection are calling to develop both protective strategies and drug discoveries to avoid early and late coronavirus-induced functional brain disturbances, symptoms and eventually disorders. To fight SARS-CoV-2, it is an urgent need to enforce clinical, molecular biological, neurochemical and genetic research including brain-related studies on a worldwide harmonized basis.
Recombinant beta interferons-1 (IFNβ-1) are used as first line therapies in patients with relapsing multiple sclerosis (MS), a chronic inflammatory and neurodegenerative disease of the CNS. IFNβ-1a/b has moderate effects on the prevention of relapses and slowing of disease progression. Fibroblast growth factors (FGFs) and FGF receptors (FGFRs) are known to play a key role in the pathology of MS and its model EAE. To investigate the effects of short-term treatment with s.c. IFNβ-1a versus the combined application of s.c. IFNβ-1a and oligodendrocyte-specific deletion of FGFR1 (Fgfr1\(^{ind−/−}\) mice) in MOG\(_{35-55}\)-induced EAE. IFNβ-1a (30 mg/kg) was applied s.c. from days 0–7 p.i. of EAE in controls and Fgfr1\(^{ind−/−}\) mice. FGFR signaling proteins associated with inflammation/degeneration in MS/EAE were analyzed by western blot in the spinal cord. Further, FGFR1 in Oli-neu oligodendrocytes were inhibited by PD166866 and treated with IFNβ-1a (400 ng/mL). Application of IFNβ-1a over 8 days resulted in less symptoms only at the peak of disease (days 9–11) compared to controls. Application of IFNβ-1a in Fgfr1\(^{ind−/−}\) mice resulted in less symptoms primarily in the chronic phase of EAE. Fgfr1\(^{ind−/−}\) mice treated with IFNβ-1a showed increased expression of pERK and BDNF. In Oli-neu oligodendrocytes, treatment with PD166866 and IFNβ-1a also showed an increased expression of pERK and BDNF/TrkB. These data suggest that the beneficial effects in the chronic phase of EAE and on signaling molecules associated with ERK and BDNF expression are caused by the modulation of FGFR1 and not by interferon beta-1a. FGFR may be a potential target for therapy in MS.
Multiple sclerosis (MS) is a chronic inflammatory and neurodegenerative disease of the central nervous system (CNS) affecting more than two million people worldwide. In MS, oligodendrocytes and myelin sheaths are destroyed by autoimmune-mediated inflammation, while remyelination is impaired. Recent investigations of post-mortem tissue suggest that Fibroblast growth factor (FGF) signaling may regulate inflammation and myelination in MS. FGF2 expression seems to correlate positively with macrophages/microglia and negatively with myelination; FGF1 was suggested to promote remyelination. In myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG)\(_{35–55}\)-induced experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), systemic deletion of FGF2 suggested that FGF2 may promote remyelination. Specific deletion of FGF receptors (FGFRs) in oligodendrocytes in this EAE model resulted in a decrease of lymphocyte and macrophage/microglia infiltration as well as myelin and axon degeneration. These effects were mediated by ERK/Akt phosphorylation, a brain-derived neurotrophic factor, and downregulation of inhibitors of remyelination. In the first part of this review, the most important pharmacotherapeutic principles for MS will be illustrated, and then we will review recent advances made on FGF signaling in MS. Thus, we will suggest application of FGFR inhibitors, which are currently used in Phase II and III cancer trials, as a therapeutic option to reduce inflammation and induce remyelination in EAE and eventually MS.
Fibroblast growth factor (FGF) signaling is involved in the pathogenesis of multiple sclerosis (MS). Data from neuropathology studies suggest that FGF signaling contributes to the failure of remyelination in MS. In MOG\(_{35–55}\)-induced EAE, oligodendrocyte-specific deletion of FGFR1 and FGFR2 resulted in a less severe disease course, reduced inflammation, myelin and axon degeneration and changed FGF/FGFR and BDNF/TrkB signaling. Since signaling cascades in oligodendrocytes could not be investigated in the EAE studies, we here aimed to characterize FGFR-dependent oligodendrocyte-specific signaling in vitro. FGFR inhibition was achieved by application of the multi-kinase-inhibitor dovitinib and the FGFR1/2/3-inhibitor AZD4547. Both substances are potent inhibitors of FGF signaling; they are effective in experimental tumor models and patients with malignancies. Effects of FGFR inhibition in oligodendrocytes were studied by immunofluorescence microscopy, protein and gene analyses. Application of the tyrosine kinase inhibitors reduced FGFR1, phosphorylated ERK and Akt expression, and it enhanced BDNF and TrkB expression. Furthermore, the myelin proteins CNPase and PLP were upregulated by FGFR inhibition. In summary, inhibition of FGFR signaling in oligodendrocytes can be achieved by application of tyrosine kinase inhibitors. Decreased phosphorylation of ERK and Akt is associated with an upregulation of BDNF/TrkB signaling, which may be responsible for the increased production of myelin proteins. Furthermore, these data suggest that application of FGFR inhibitors may have the potential to promote remyelination in the CNS.
Das koinhibitorische Molekül B7-H1 beeinflusst adaptive Immunantworten und ist vermutlich an den Mechanismen zur Aufrechterhaltung peripherer Toleranz und der Limitierung inflammatorischen Schadens beteiligt. Zusätzlich kommt DZ eine entscheidende Bedeutung in der Entwicklung, Aufrechterhaltung und Regulation ZNS-spezifischer Autoimmunität und Inflammationsprozessen zu. Um den B7-H1/PD-1-Signalweg eingehender zu untersuchen, wurden adaptive Immunantworten und die Zielorgan-spezifische Infiltration im Modell der MOG35-55-induzierten EAE analysiert, einem Tiermodell der MS, das durch neurologische Schädigungen und progressive Paralyse bedingt durch die inflammatorische Demyelinisierung im ZNS charakterisiert ist. Im Vergleich zu Wildtyptieren zeigten B7-H1-/- Mäuse einen beschleunigten Krankheitsbeginn und eine signifikante Steigerung des Schweregrads der EAE. Periphere MOG35-55-spezifische IFNg-/IL-17-Immunzellantworten traten in B7-H1-/- Mäusen verfrüht und verstärkt auf, klangen allerdings auch schneller ab. Im ZNS persistierte jedoch eine signifikant höhere Anzahl aktivierter, Neuroantigen-spezifischer T-Zellen während allen Phasen der EAE, wobei diese Zellen ebenfalls größere Mengen proinflammatorischer Zytokine sezernieren konnten. Experimente mit APZ-assoziiertem B7-H1, die einen direkten inhibitorischen Effekt auf die Aktivierung und Proliferation MOG35-55-spezifischer Effektorzellen zeigten, unterstützen die Hypothese, dass parenchymale Expression von B7-H1 ausschlaggebend für das Schicksal von T-Zellen im Zielorgan ist. B7-H1 stellt damit ein Schlüsselmolekül für die Kontrolle parenchymaler Immunreaktionen dar. Nachdem die Relevanz von B7-H1 auf APZ in vitro bewiesen werden konnte, wurde der Einfluss von B7-H1 auf systemisch oder intrazerebral injizierten DZ mit immunogenem oder tolerogenem Phänotyp untersucht. Intravenöse Applikation von tolerogenen B7-H1-/- DZ resultierte in einer besseren Protektion gegen EAE, und dieser Effekt war von einer gesteigerten Produktion Tr1-/Th2-typischer Zytokine sowie einer verstärkten Sekretion von IL-4 und IL-13 durch CD1d-restringierte T-Zellen in der Peripherie begleitet. Die Anzahl Neuroantigen-spezifischer T-Zellen, die proinflammatorische Zytokine sezernierten, war dementsprechend sowohl in der Peripherie als auch im ZNS reduziert. In diesem Zusammenhang konnte für B7-H1 eine wesentliche Beteiligung an der Inhibition der Aktivierung antigen-spezifischer, regulatorischer T-Zellen und CD1d-restringierter T-Zellen gefunden werden. Bei der Injektion intrazerebraler DZ bewirkten tolerogene DZ im Vergleich zu immunogenen DZ eine Reduktion der ZNS-Infiltration mit CD4+ T-Zellen in der frühen Phase der Erkrankung. Außerdem konnte eine Veränderung des intrazerebralen Zytokinmilieus von IFNg/IL-17 exprimierenden enzephalitogenen T-Zellen zu IL-10+ regulatorischen T-Zellen gezeigt werden. B7-H1-Defizienz auf APZ verstärkte diesen Effekt und führte dadurch in den Mäusen zur partiellen Protektion gegen klinische Symptome der EAE. Zusätzlich wurde die Beteiligung von B7-H1 an der Rekrutierung und ZNS-lokalisierten Induktion der Proliferation CD8+ regulatorischer T-Zellen durch DZ beschrieben. Unabhängig vom Phänotyp der DZ wurde eine bereits in der frühen Phase vorhandene und dauerhaft expandierende Population von CD8+ T-Zellen im ZNS DZ[B7-H1-/-]-injizierter Mäuse gefunden. Diese Zellen konnten in vitro die Proliferation MOG35-55-spezifischer CD4+ T-Zellen supprimieren und wirkten so mutmaßlich an der Abmilderung der EAE mit. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit die entscheidende Bedeutung von B7 H1 auf DZ als immuninhibitorisches Molekül, das sowohl enzephalitogene als auch regulatorische T-Zell-Antworten moduliert und damit zur Limitation von Immunantworten beiträgt.
Background: Multiple sclerosis (MS) may cause variable functional impairment. The discrepancy between functional impairment and brain imaging findings in patients with MS (PwMS) might be attributed to differential adaptive and consolidation capacities. Modulating those abilities could contribute to a favorable clinical course of the disease.
Objectives: We examined the effect of cerebellar transcranial direct current stimulation (c-tDCS) on locomotor adaptation and consolidation in PwMS using a split-belt treadmill (SBT) paradigm.
Methods: 40 PwMS and 30 matched healthy controls performed a locomotor adaptation task on a SBT. First, we assessed locomotor adaptation in PwMS. In a second investigation, this training was followed by cerebellar anodal tDCS applied immediately after the task ipsilateral to the fast leg (T0). The SBT paradigm was repeated 24 h (T1) and 78 h (T2) post-stimulation to evaluate consolidation.
Results: The gait dynamics and adaptation on the SBT were comparable between PwMS and controls. We found no effects of offline cerebellar anodal tDCS on locomotor adaptation and consolidation. Participants who received the active stimulation showed the same retention index than sham-stimulated subjects at T1 (p = 0.33) and T2 (p = 0.46).
Conclusion: Locomotor adaptation is preserved in people with mild-to-moderate MS. However, cerebellar anodal tDCS applied immediately post-training does not further enhance this ability. Future studies should define the neurobiological substrates of maintained plasticity in PwMS and how these substrates can be manipulated to improve compensation. Systematic assessments of methodological variables for cerebellar tDCS are urgently needed to increase the consistency and replicability of the results across experiments in various settings.
The objective of this study was to examine the therapeutic potential of multiple sessions of training on a split-belt treadmill (SBT) combined with cerebellar anodal transcranial direct current stimulation (tDCS) on gait and balance in People with Multiple Sclerosis (PwMS). Twenty-two PwMS received six sessions of anodal (PwMS\(_{real}\), n = 12) or sham (PwMS\(_{sham}\), n = 10) tDCS to the cerebellum prior to performing the locomotor adaptation task on the SBT. To evaluate the effect of the intervention, functional gait assessment (FGA) scores and distance walked in 2 min (2MWT) were measured at the baseline (T0), day 6 (T5), and at the 4-week follow up (T6). Locomotor performance and changes of motor outcomes were similar in PwMS\(_{real}\) and PwMS\(_{sham}\) independently from tDCS mode applied to the cerebellum (anodal vs. sham, on FGA, p = 0.23; and 2MWT, p = 0.49). When the data were pooled across the groups to investigate the effects of multiple sessions of SBT training alone, significant improvement of gait and balance was found on T5 and T6, respectively, relative to baseline (FGA, p < 0.001 for both time points). The FGA change at T6 was significantly higher than at T5 (p = 0.01) underlining a long-lasting improvement. An improvement of the distance walked during the 2MWT was also observed on T5 and T6 relative to T0 (p = 0.002). Multiple sessions of SBT training resulted in a lasting improvement of gait stability and endurance, thus potentially reducing the risk of fall as measured by FGA and 2MWT. Application of cerebellar tDCS during SBT walking had no additional effect on locomotor outcomes.
Der Verlauf der Multiplen Sklerose ist heterogener Natur; die Fähigkeit zu einem intakten adaptiven motorischen Lernen und einer intakten Konsolidierung könnten einen milden Krankheitsverlauf begünstigen.
In der vorliegenden Arbeit wurden das adaptive motorische Lernen und seine Konsolidierung bei MS-Patienten im Vergleich zu neurologisch gesunden Kontrollprobanden untersucht; außerdem wurde das Verhältnis dieser Formen des Lernens zu klinischen und apparativen Parametern des Krankheitsprogresses untersucht.
Dazu führten 20 MS-Patienten und 20 Kontrollprobanden eine visuoadaptive Lernaufgabe durch. Hierzu sollten mittels Computerbildschirm und Computermaus geradlinige Zielbewegungen zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt wechselnder Lokalisation durchgeführt werden, wobei in einem Rotationsmodus eine externe Ablenkung der Zielbewegung im Uhrzeigersinn eingeführt wurde, welche auszugleichen war. Die Übungssitzung wurde nach 24 Stunden und nach 72 Stunden wiederholt. Analysiert wurden die Richtungsfehler der Zielbewegungen, die Adaptationsrate an die Ablenkung und die Retention der erlernten Adaptation bis zur Folgesitzung. Motorische Einschränkung wurde durch den EDSS-Score und den 9-Loch-Stecktest quantifiziert, zentralnervöse Läsionslast wurde mittels cMRT und MEP ermittelt.
Die Adaptation und Lernfähigkeit innerhalb einer Übungssitzung waren in der Patienten- und der Kontrollgruppe vergleichbar; jedoch zeigte sich eine signifikant verminderte Retentionsrate in der Patientengruppe an den Folgeuntersuchungstagen im Vergleich zur Kontrollgruppe. In den Korrelationsanalysen und Subgruppenvergleichen innerhalb der Patientengruppe nach Stratifizierung aufgrund von EDSS-Score, 9-Lochstecktest und zentralnervöser Läsionslast im MRT konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen klinischer Beeinträchtigung bzw. zentralnervöser Läsionslast auf der einen Seite und Adaptation bzw. Konsolidierung auf der anderen Seite identifiziert werden. Jedoch zeigte sich in der Patientengruppe für den ersten Nachuntersuchungstag eine signifikant höhere Retentionsrate in der Subgruppe mit geringerer Leistung im 9-Lochsteck-Test.
Insgesamt deuten die vorliegenden Daten auf eine erhaltene Fähigkeit zu adaptivem motorischen Lernen und somit auf eine erhaltene rasch einsetzende Neuroplastizität bei leicht bis mittelgradig betroffenen MS-Patienten hin; jedoch sprechen die Daten für eine eingeschränkte Konsolidierungsfähigkeit. Zentralnervöse Läsionslast scheint Motoradaptation und Konsolidierung nicht zu verhindern. Das genaue Verhältnis der Motoradapation und Konsolidierung zum klinischen Funktionserhalt konnte nicht genauer aufgeklärt werden. Um die genaue Beziehung zwischen Motoradaptation und Konsolidierung und klinischer Beeinträchtigung bzw. ZNS-Läsionen zu eruieren, bedarf es weiterer Studien.
Der Einfluß von Virusinfektion und Impfung auf autoreaktive T-Lymphozyten bei der Multiplen Sklerose
(2002)
In der sogenannten ViMS-Studie, bei der MS-Patienten und gesunde Kontrollpersonen mit einer Influenza-Spaltvakzine geimpft und für einen zum Teil viermonatigen Zeitraum im Verlauf nachbeobachtet wurden, ergab sich weder mit dem sensitiven IFNg-ELISPOT noch mit der quantitativen RT-PCR ein Anhalt für erhöhte Autoimmunreaktivität gegen die zwei untersuchten Myelin-Antigene MBP und MOG. Im Gegensatz dazu konnten mit dem IFNg-ELISPOT-Assay bei einigen gesunden Spendern und MS-Patienten nach natürlichen Atemwegsinfektionen eine erhöhte Frequenz autoreaktiver MBP-spezifischer T-Lymphozyten beobachtet werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit konnten durch Zellkulturinfektionen mit Influenzavirus oder HHV-6 weder an Primärzellkulturen noch in einem etablierten in vitro-Modell für MS-Autoimmunität an MBP-spezifischen T-Zellen eine immunstimulierende Wirkung gezeigt werden. Bei niedrigen Infektionsdosen kam es zur Proliferation einer wahrscheinlich virus-spezifischen Zellpopulation, bei höheren Dosen wurde dieser Effekt durch die bekannte Immunsuppression der in vitro-Infektion mit HHV-6 übertroffen. In einer umfassenden Untersuchung von Serumproben von gesunden Spendern und MS-Patienten in unterschiedlichen Krankheitsphasen wurden trotz sensitiver Nachweismethoden keine erhöhten Antikörper-Titer (IgG/IgM) gegen HHV-6 oder HHV-6-DNA nachgewiesen, woraus geschlossen werden darf, daß die untersuchten Viren keine intrinsische Pathogenität für die Entstehung von Autoimmunität bei der MS aufweisen. Im Vergleich zu der Kontrollgruppe erhöhte Anti-HHV-6-IgG-Titer bei PTX-behandelten MS-Patienten lassen sich als mögliches Epiphänomen durch die immun-modulatorische (Th2-vermittelte) Wirkung des Medikaments deuten. In Zusammenschau aller Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich die anfangs angedeuteten Modelle einer virusvermittelten Autoimmunpathogenese der MS nicht eindeutig ein-ordnen. Die Ergebnisse der ViMS-Studie, unterstützt durch zahlreiche Untersuchungen anderer Gruppen, weisen in Bezug auf Schubauslösung oder Verschlechterung auf einen generellen immunaktivierenden Mechanismus im Sinne einer unspezifischen Begleitreaktion durch Infektion aber nicht durch Influenzaschutzimpfung hin. Dabei spielt wohl nicht eine einzelne Virusinfektion die maßgebliche Rolle in einem schon auf immunologischer Ebene recht komplexen Netzwerk, sondern können prinzipiell verschiedene (beliebige) Viren zum Anstoßen einer Autoimmunkaskade beitragen, wenn sie auf einen konstitutionell oder temporär empfänglichen Wirtsorganismus treffen. Dies ist auch vom Infektionsort und –milieu abhängig. Bei der vorliegenden Multifaktorialität und Heterogenität der Subpopulatio-nen sind monolineare Erklärungsansätze bislang zum Scheitern verurteilt gewesen. Aber aus dem Fehlen eines Beweises kann nicht der Beweis für das Fehlen eines Zusammen-hangs zwischen Virusinfektionen und Autoimmunreaktionen geschlossen werden.
Myelinmutationen des zentralen und peripheren Nervensystems verursachen erheblich behindernde und bislang nicht heilbare Erkrankungen. In dieser Arbeit verwendeten wir transgene PLP überexprimierende Mäuse (PLPtg) als Modell für zentrale Myelinopathien und heterozygot P0 defiziente (P0+/-) Mäuse als Modell für hereditäre Neuropathien des peripheren Nervensystems. Beide Modelle zeigen eine niedriggradige Inflammation des Nervengewebes. Durch Verpaarung mit immundefizienten Mausstämmen konnten wir die Relevanz von Makrophagen und T- Lymphozyten in der Entstehung der Myelinpathologie zeigen. Nachdem wir beweisen konnten, dass CD8+ T- Lymphozyten maßgeblich zur Pathologie in PLPtg Mäusen beitragen untersuchten wir den Einfluss eines wichtigen zytotoxischen Moleküls, Granzym B, auf den neuralen Schaden. Durch Generierung von Granzym B defizienten PLPtg Knochenmarkschimären konnten wir eine deutliche Reduktion des glialen Schadens und der Oligodendrozytenapoptose nachweisen. Granzym B ist also zumindest teilweise verantwortlich für die Schädigung, die durch T- Lymphozyten hervorgerufen wird. Um die zusätzliche Informationen über die Rolle der Immunmodulation in unseren Modellen zu gewinnen, untersuchten wir das koinhibitorische Molekül PD-1, einen CD-28 verwandten Rezeptor, der auf B- und T- Lymphozyten exprimiert wird. Bei der Untersuchung von Myelinmutanten des ZNS und PNS (PLPtg und P0+/-), die zusätzlich PD-1 defizient waren, konnten wir einen signifikanten Anstieg von CD8+ T- Lymphozyten und eine deutliche Verschlechterung des glialen Schadens beobachten. In PLPtg Mäusen induzierte die Abwesenheit von PD-1 verstärkte Oligodendrozytenapoptose und klonale Expansion. Außerdem neigen ZNS- Lymphozyten aber nicht periphere CD8+ T- Zellen zur verstärkten Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen. In P0+/- Mäusen führt Abwesenheit von PD-1 zu moderaten motorischen und sensorischen Störungen, was die wichtige Rolle von PD-1 in immunologischen Regulationsmechanismen unterstreicht. Zusammenfassend kann man festhalten, daß Granzym B ein wichtiges Effektormolekül zytotoxischer T- Zellen in PLPtg Mäusen ist. PD-1 spielt eine wichtige Rolle in der Regulation von Effektorzellen in unseren Modellen für zentrale und periphere Myelinopathien. Veränderungen dieser Regulation können deutliche Neuroinflammation mit starker Myelinpathologie hervorrufen. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, die starke klinische Variabilität von polygenen und sogar monogenen neurologischen Erkrankungen zu erklären.