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Background: The rehabilitation of gait disorders in patients with multiple sclerosis (MS) and stroke is often based on conventional treadmill training. Virtual reality (VR)-based treadmill training can increase motivation and improve therapy outcomes. The present study evaluated an immersive virtual reality application (using a head-mounted display, HMD) for gait rehabilitation with patients to (1) demonstrate its feasibility and acceptance and to (2) compare its short-term effects to a semi-immersive presentation (using a monitor) and a conventional treadmill training without VR to assess the usability of both systems and estimate the effects on walking speed and motivation. Methods: In a within-subjects study design, 36 healthy participants and 14 persons with MS or stroke participated in each of the three experimental conditions (VR via HMD, VR via monitor, treadmill training without VR). Results: For both groups, the walking speed in the HMD condition was higher than in treadmill training without VR and in the monitor condition. Healthy participants reported a higher motivation after the HMD condition as compared with the other conditions. Importantly, no side effects in the sense of simulator sickness occurred and usability ratings were high. No increases in heart rate were observed following the VR conditions. Presence ratings were higher for the HMD condition compared with the monitor condition for both user groups. Most of the healthy study participants (89%) and patients (71%) preferred the HMD-based training among the three conditions and most patients could imagine using it more frequently. Conclusions For the first time, the present study evaluated the usability of an immersive VR system for gait rehabilitation in a direct comparison with a semi-immersive system and a conventional training without VR with healthy participants and patients. The study demonstrated the feasibility of combining a treadmill training with immersive VR. Due to its high usability and low side effects, it might be particularly suited for patients to improve training motivation and training outcome e. g. the walking speed compared with treadmill training using no or only semi-immersive VR. Immersive VR systems still require specific technical setup procedures. This should be taken into account for specific clinical use-cases during a cost-benefit assessment.
Aside from the established immune-mediated etiology of multiple sclerosis (MS), compelling evidence implicates platelets as important players in disease pathogenesis. Specifically, numerous studies have highlighted that activated platelets promote the central nervous system (CNS)-directed adaptive immune response early in the disease course. Platelets, therefore, present a novel opportunity for modulating the neuroinflammatory process that characterizes MS. We hypothesized that the well-known antiplatelet agent acetylsalicylic acid (ASA) could inhibit neuroinflammation by affecting platelets if applied at low-dose and investigated its effect during experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) as a model to study MS. We found that oral administration of low-dose ASA alleviates symptoms of EAE accompanied by reduced inflammatory infiltrates and less extensive demyelination. Remarkably, the percentage of CNS-infiltrated CD4\(^+\) T cells, the major drivers of neuroinflammation, was decreased to 40.98 ± 3.28% in ASA-treated mice compared to 56.11 ± 1.46% in control animals at the disease maximum as revealed by flow cytometry. More interestingly, plasma levels of thromboxane A\(_2\) were decreased, while concentrations of platelet factor 4 and glycoprotein VI were not affected by low-dose ASA treatment. Overall, we demonstrate that low-dose ASA could ameliorate the platelet-dependent neuroinflammatory response in vivo, thus indicating a potential treatment approach for MS.
Background: Despite pleiotropic immunomodulatory effects of apolipoprotein E (apoE) in vitro, its effects on the clinical course of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) and multiple sclerosis (MS) are still controversial. As sex hormones modify immunomodulatory apoE functions, they may explain contentious findings. This study aimed to investigate sex-specific effects of apoE on disease course of EAE and MS.
Methods: MOG\(_{35-55}\) induced EAE in female and male apoE-deficient mice was assessed clinically and histopathologically. apoE expression was investigated by qPCR. The association of the MS severity score (MSSS) and APOE rs429358 and rs7412 was assessed across 3237 MS patients using linear regression analyses.
Results: EAE disease course was slightly attenuated in male apoE-deficient (apoE\(^{-/-}\)) mice compared to wildtype mice (cumulative median score: apoE\(^{-/-}\) = 2 [IQR 0.0-4.5]; wildtype = 4 [IQR 1.0-5.0]; n = 10 each group, p = 0.0002). In contrast, EAE was more severe in female apoE\(^{-/-}\) mice compared to wildtype mice (cumulative median score: apoE\(^{-/-}\) = 3 [IQR 2.0-4.5]; wildtype = 3 [IQR 0.0-4.0]; n = 10, p = 0.003). In wildtype animals, apoE expression during the chronic EAE phase was increased in both females and males (in comparison to naive animals; p < 0.001). However, in MS, we did not observe a significant association between MSSS and rs429358 or rs7412, neither in the overall analyses nor upon stratification for sex.
Conclusions: apoE exerts moderate sex-specific effects on EAE severity. However, the results in the apoE knock-out model are not comparable to effects of polymorphic variants in the human APOE gene, thus pinpointing the challenge of translating findings from the EAE model to the human disease.
Multiple Sklerose ist eine chronisch degenerative Erkrankung des ZNS, deren Therapie-möglichkeiten noch immer begrenzt sind. In der vorliegenden Arbeit wurde in vitro der selektive PDE-IV-Inhibitor Mesopram untersucht, welcher bereits in einer Phase II Studie bei Patienten mit klinisch gesicherter MS zum Einsatz kommt. Anhand von HBMEC’s, die als ein Model der menschlichen BHS gelten, konnten TJ’s (ZO-1, Claudin-3, Occludin), Adhäsionsmoleküle (ICAM, VCAM, MCAM), Zytokine und Chemokine (AR, Il-6, MCP-1, Il-8) und MMP-2 nachgewiesen werden. Diese Faktoren sind bei der Zerstörung der BHS in der Pathologie der MS beteiligt. Die Idee dieser Arbeit war es, durch die spezifische PDE-IV-Inhibition mit Mesopram die untersuchten Faktoren der BHS so zu beeinflussen, dass eine weitere Permeabilitätserhöhung verhindert werden könnte. Da es sich bei MS um eine inflammatorische Erkrankung handelt und TNFα in MS-Läsionen gefunden wird, wurde in dieser Arbeit TNFα als inflammatorischer Stimulus verwendet. Unter TNFα-Stimulation wurden die meisten der genannten Faktoren vermehrt exprimiert. Keine Veränderung unter TNFα zeigten Occludin, ZO-1, VCAM und MMP-2. Die HBMEC’s wurden über 24 und 48 h mit TNFα und Mesopram stimuliert. Es konnte in den unterschiedlichen Auswertungen (ELISA, FACS, Western Blot, Zymographie) keine regulatorische Modulation der verschiedenen Faktoren unter Mesopram-induzierter cAMP-Erhöhung nachgewiesen werden.
Multiple sclerosis (MS) is the most prevalent neurological disease of the central nervous system (CNS) in young adults and is characterized by inflammation, demyelination and axonal pathology that result in multiple neurological and cognitive deficits. The focus of MS research remains on modulating the immune response, but common therapeutic strategies are only effective in slowing down disease progression and attenuating the symptoms; they cannot cure the disease. Developing an option to prevent neurodegeneration early on would be a valuable addition to the current standard of care for MS. Based on our results we suggest that application of nimodipine could be an effective way to target both neuroinflammation and neurodegeneration. We performed detailed analyses of neurodegeneration in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), an animal model of MS, and in in vitro experiments regarding the effect of the clinically well-established L-type calcium channel antagonist nimodipine. Nimodipine treatment attenuated the course of EAE and spinal cord histopathology. Furthermore, it promoted remyelination. The latter could be due to the protective effect on oligodendrocytes and oligodendrocyte precursor cells (OPCs) we observed in response to nimodipine treatment. To our surprise, we detected calcium channel-independent effects on microglia, resulting in apoptosis. These effects were cell type-specific and independent of microglia polarization. Apoptosis was accompanied by decreased levels of nitric oxide (NO) and inducible NO synthase (iNOS) in cell culture as well as decreased iNOS expression and reactive oxygen species (ROS) activity in EAE. Overall, application of nimodipine seems to generate a favorable environment for regenerative processes and could therefore be a novel treatment option for MS, combining immunomodulatory effects while promoting neuroregeneration.
Multiple sclerosis (MS) is a prevalent neurological disease of complex etiology. Here, we describe the characterization of a multi-incident MS family that nominated a rare missense variant (p.G420D) in plasminogen (PLG) as a putative genetic risk factor for MS. Genotyping of PLG p.G420D (rs139071351) in 2160 MS patients, and 886 controls from Canada, identified 10 additional probands, two sporadic patients and one control with the variant. Segregation in families harboring the rs139071351 variant, identified p.G420D in 26 out of 30 family members diagnosed with MS, 14 unaffected parents, and 12 out of 30 family members not diagnosed with disease. Despite considerably reduced penetrance, linkage analysis supports cosegregation of PLG p.G420D and disease. Genotyping of PLG p.G420D in 14446 patients, and 8797 controls from Canada, France, Spain, Germany, Belgium, and Austria failed to identify significant association with disease (P = 0.117), despite an overall higher prevalence in patients (OR = 1.32; 95% CI = 0.93–1.87). To assess whether additional rare variants have an effect on MS risk, we sequenced PLG in 293 probands, and genotyped all rare variants in cases and controls. This analysis identified nine rare missense variants, and although three of them were exclusively observed in MS patients, segregation does not support pathogenicity. PLG is a plausible biological candidate for MS owing to its involvement in immune system response, blood-brain barrier permeability, and myelin degradation. Moreover, components of its activation cascade have been shown to present increased activity or expression in MS patients compared to controls; further studies are needed to clarify whether PLG is involved in MS susceptibility.
NKG2D is an activating receptor on T cells, which has been implicated in the pathogenesis of autoimmune diseases. T cells are critically involved in idiopathic inflammatory myopathies (IIM) and have been proposed as specific therapeutic targets. However, the mechanisms underlying T cell-mediated progressive muscle destruction in IIM remain to be elucidated. We here determined the involvement of the NKG2D - IL-15 signaling pathway. Primary human myoblasts expressed NKG2D ligands, which were further upregulated upon inflammatory stimuli. In parallel, shedding of the soluble NKG2D ligand MICA (sMICA) decreased upon inflammation potentially diminishing inhibition of NKG2D signaling. Membrane-related expression of IL-15 by myoblasts induced differentiation of naive CD8\(^+\) T cells into highly activated, cytotoxic \(CD8^+NKG2D^{high}\) T cells demonstrating NKG2D-dependent lysis of myoblasts in vitro. \(CD8^+NKG2D^{high}\) T cell frequencies were increased in the peripheral blood of polymyositis (PM) patients and correlated with serum creatinine kinase concentrations, while serum sMICA levels were not significantly changed. In muscle biopsy specimens from PM patients expression of the NKG2D ligand MICA/B was upregulated, IL-15 was expressed by muscle cells, CD68\(^+\) macrophages as well as CD4\(^+\) T cells, and \(CD8^+NKG2D^+\) cells were frequently detected within inflammatory infiltrates arguing for a local signaling circuit in the inflammatory muscle milieu. In conclusion, the NKG2D - IL-15 signaling pathway contributes to progressive muscle destruction in IIM potentially opening new therapeutic avenues.
B cell aggregates in the central nervous system (CNS) have been associated with rapid disease progression in patients with multiple sclerosis (MS). Here we demonstrate a key role of carcinoembryogenic antigen-related cell adhesion molecule1 (CEACAM1) in B cell aggregate formation in MS patients and a B cell-dependent mouse model of MS. CEACAM1 expression was increased on peripheral blood B cells and CEACAM1\(^+\) B cells were present in brain infiltrates of MS patients. Administration of the anti-CEACAM1 antibody T84.1 was efficient in blocking aggregation of B cells derived from MS patients. Along these lines, application of the monoclonal anti-CEACAM1 antibody mCC1 was able to inhibit CNS B cell aggregate formation and significantly attenuated established MS-like disease in mice in the absence of any adverse effects. CEACAM1 was co-expressed with the regulator molecule T cell immunoglobulin and mucin domain −3 (TIM-3) on B cells, a novel molecule that has recently been described to induce anergy in T cells. Interestingly, elevated coexpression on B cells coincided with an autoreactive T helper cell phenotype in MS patients. Overall, these data identify CEACAM1 as a clinically highly interesting target in MS pathogenesis and open new therapeutic avenues for the treatment of the disease.
B cells have only recently begun to attract attention in the immunopathology of multiple sclerosis (MS). Suitable markers for the prediction of treatment success with immunomodulatory drugs are still missing. Here we evaluated the B cell response to brain antigens in n = 34 relapsing-remitting MS (RRMS) patients treated with glatiramer acetate (GA) using the enzyme-linked immunospot technique (ELISPOT). Our data demonstrate that patients can be subdivided into responders that show brain-specific B cell reactivity in the blood and patients without this reactivity. Only in patients that classified as B cell responders, there was a significant positive correlation between treatment duration and the time since last relapse in our study. This correlation was GA-specific because it was absent in a control group that consisted of interferon-\(\beta\) (IFN-\(\beta\))-treated RRMS patients (n = 23). These data suggest that GA has an effect on brain-reactive B cells in a subset of patients and that only this subset benefits from treatment. The detection of brain-reactive B cells is likely to be a suitable tool to identify drug responders.
Multiple sclerosis (MS) is an autoimmune disorder of the central nervous system (CNS) and characterized by the infiltration of immune cells, demyelination and axonal loss. Loss of axons and nerve fiber pathology are widely accepted as correlates of neurological disability. Hence, it is surprising that the development of neuroprotective therapies has been neglected for a long time. A reason for this could be the diversity of the underlying mechanisms, complex changes in nerve fiber pathology and the absence of biomarkers and tools to quantify neuroregenerative processes. Present therapeutic strategies are aimed at modulating or suppressing the immune response, but do not primarily attenuate axonal pathology. Yet, target-oriented neuroprotective strategies are essential for the treatment of MS, especially as severe damage of nerve fibers mostly occurs in the course of disease progression and cannot be impeded by immune modulatory drugs. This review shall depict the need for neuroprotective strategies and elucidate difficulties and opportunities.
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.