Neurologische Klinik und Poliklinik
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The pathogenesis of Parkinson's disease (PD) is closely interwoven with the process of aging. Moreover, increasing evidence from human postmortem studies and from animal models for PD point towards inflammation as an additional factor in disease development. We here assessed the impact of aging and inflammation on dopaminergic neurodegeneration in the hm\(^{2}\)α-SYN-39 mouse model of PD that carries the human, A30P/A53T double-mutated α-synuclein gene. At 2–3 months of age, no significant differences were observed comparing dopaminergic neuron numbers of the substantia nigra (SN) pars compacta of hm\(^{2}\)α-SYN-39 mice with wildtype controls. At an age of 16–17 months, however, hm\(^{2}\)α-SYN-39 mice revealed a significant loss of dopaminergic SN neurons, of dopaminergic terminals in the striatum as well as a reduction of striatal dopamine levels compared to young, 2–3 months transgenic mice and compared to 16–17 months old wildtype littermates. A significant age-related correlation of infiltrating CD4+ and CD8\(^{+}\) T cell numbers with dopaminergic terminal loss of the striatum was found in hm\(^{2}\)α-SYN-39 mice, but not in wildtype controls. In the striatum of 16–17 months old wildtype mice a slightly elevated CD8\(^{+}\) T cell count and CD11b\(^{+}\) microglia cell count was observed compared to younger aged mice. Additional analyses of neuroinflammation in the nigrostriatal tract of wildtype mice did not yield any significant age-dependent changes of CD4\(^{+}\), CD8\(^{+}\) T cell and B220\(^{+}\) B cell numbers, respectively. In contrast, a significant age-dependent increase of CD8\(^{+}\) T cells, GFAP\(^{+}\) astrocytes as well as a pronounced increase of CD11b+ microglia numbers were observed in the SN of hm\(^{2}\)α-SYN-39 mice pointing towards a neuroinflammatory processes in this genetic mouse model for PD. The findings in the hm\(^{2}\)α-SYN-39 mouse model strengthen the evidence that T cell and glial cell responses are involved in the age-related neurodegeneration in PD. The slow and age-dependent progression of neurodegeneration and neuroinflammation in the hm\(^{2}\)α-SYN-39 PD rodent model underlines its translational value and makes it suitable for studying anti-inflammatory therapies.
Background
Troponin elevation is common in ischemic stroke (IS) patients. The pathomechanisms involved are incompletely understood and comprise coronary and non-coronary causes, e.g. autonomic dysfunction. We investigated determinants of troponin elevation in acute IS patients including markers of autonomic dysfunction, assessed by heart rate variability (HRV) time domain variables.
Methods
Data were collected within the Stroke Induced Cardiac FAILure (SICFAIL) cohort study. IS patients admitted to the Department of Neurology, Würzburg University Hospital, underwent baseline investigation including cardiac history, physical examination, echocardiography, and blood sampling. Four HRV time domain variables were calculated in patients undergoing electrocardiographic Holter monitoring. Multivariable logistic regression with corresponding odds ratios (OR) and 95% confidence intervals (CI) was used to investigate the determinants of high-sensitive troponin T (hs-TnT) levels ≥14 ng/L.
Results
We report results from 543 IS patients recruited between 01/2014–02/2017. Of those, 203 (37%) had hs-TnT ≥14 ng/L, which was independently associated with older age (OR per year 1.05; 95% CI 1.02–1.08), male sex (OR 2.65; 95% CI 1.54–4.58), decreasing estimated glomerular filtration rate (OR per 10 mL/min/1.73 m2 0.71; 95% CI 0.61–0.84), systolic dysfunction (OR 2.79; 95% CI 1.22–6.37), diastolic dysfunction (OR 2.29; 95% CI 1.29–4.02), atrial fibrillation (OR 2.30; 95% CI 1.25–4.23), and increasing levels of C-reactive protein (OR 1.48 per log unit; 95% CI 1.22–1.79). We did not identify an independent association of troponin elevation with the investigated HRV variables.
Conclusion
Cardiac dysfunction and elevated C-reactive protein, but not a reduced HRV as surrogate of autonomic dysfunction, were associated with increased hs-TnT levels in IS patients independent of established cardiovascular risk factors.
Background
Mucopolysaccharidosis type III (Sanfilippo syndrome) is a lysosomal storage disorder, caused by a deficiency in the heparan-N-sulfatase enzyme involved in the catabolism of the glycosaminoglycan heparan sulfate. It is characterized by early nonspecific neuropsychiatric symptoms, followed by progressive neurocognitive impairment in combination with only mild somatic features. In this patient group with a broad clinical spectrum a significant genotype-phenotype correlation with some mutations leading to a slower progressive, attenuated course has been demonstrated.
Case presentation
Our patient had complications in the neonatal period and was diagnosed with Mucopolysaccharidosis IIIa only at the age of 28 years. He was compound heterozygous for the variants p.R245H and p.S298P, the latter having been shown to lead to a significantly milder phenotype.
Conclusions
The diagnostic delay is even more prolonged in this patient population with comorbidities and a slowly progressive course of the disease.
Background
The role of cytokines in the pathophysiology, diagnosis, and prognosis of small fiber neuropathy (SFN) is incompletely understood. We studied expression profiles of selected pro- and anti-inflammatory cytokines in RNA from white blood cells (WBC) of patients with a medical history and a clinical phenotype suggestive for SFN and compared data with healthy controls.
Methods
We prospectively recruited 52 patients and 21 age- and sex-matched healthy controls. Study participants were characterized in detail and underwent complete neurological examination. Venous blood was drawn for routine and extended laboratory tests, and for WBC isolation. Systemic RNA expression profiles of the pro-inflammatory cytokines interleukin (IL)-1ß, IL-2, IL-8, tumor necrosis factor-alpha (TNF) and the anti-inflammatory cytokines IL-4, IL-10, transforming growth factor beta-1 (TGF) were analyzed. Protein levels of IL-2, IL-8, and TNF were measured in serum of patients and controls. Receiver operating characteristic (ROC)-curve analysis was used to determine the accuracy of IL-2, IL-8, and TNF in differentiating patients and controls. To compare the potential discriminatory efficacy of single versus combined cytokines, equality of different AUCs was tested.
Results
WBC gene expression of IL-2, IL-8, and TNF was higher in patients compared to healthy controls (IL-2: p = 0.02; IL-8: p = 0.009; TNF: p = 0.03) and discriminated between the groups (area under the curve (AUC) ≥ 0.68 for each cytokine) with highest diagnostic accuracy reached by combining the three cytokines (AUC = 0.81, sensitivity = 70%, specificity = 86%). Subgroup analysis revealed the following differences: IL-8 and TNF gene expression levels were higher in female patients compared to female controls (IL-8: p = 0.01; TNF: p = 0.03). The combination of TNF with IL-2 and TNF with IL-2 and IL-8 discriminated best between the study groups. IL-2 was higher expressed in patients with moderate pain compared to those with severe pain (p = 0.02). Patients with acral pain showed higher IL-10 gene expression compared to patients with generalized pain (p = 0.004). We further found a negative correlation between the relative gene expression of IL-2 and current pain intensity (p = 0.02). Serum protein levels of IL-2, IL-8, and TNF did not differ between patients and controls.
Conclusions
We identified higher systemic gene expression of IL-2, IL-8, and TNF in SFN patients than in controls, which may be of potential relevance for diagnostics and patient stratification.
Die Charcot-Marie-Tooth-Neuropathie umfasst eine heterogene Gruppe von erblichen unter anderem demyelinisierenden Erkrankungen des peripheren Nervensystems. Trotz ihrer hohen Prävalenz von 1:2.500 gibt es bis dato keine kausalen Therapiemöglichkeiten. Durch den progressiven Krankheitsverlauf wird die Lebensqualität der Patienten stetig gemindert; der fortschreitende Verlust der Muskelkraft und Störungen des Gangbildes sind besonders belastend.
Ursächlich für die CMT1-Neuropathie sind unter anderem Mutationen in Genen, die für Moleküle des Myelins von Schwannzellen codieren. Diese Mutationen führen zu einer verminderten Stabilität und Funktion des Myelins und so letzten Endes zu einer Demyelinisierung und axonalen Schädigung der peripheren Nerven. Weitere Studien in CMT1-Mausmodellen zeigten jedoch, dass nicht nur die verringerte Myelinstabilität sondern auch eine durch das Immunsystem vermittelte geringgradige Entzündungsreaktion für die Symptome ursächlich sein könnte. Hier spielen vor allem Makrophagen eine zentrale Rolle. Das Zytokin CSF-1 aktiviert die Makrophagen und verursacht so eine Demyelinisierung der peripheren Nerven. In P0het und Cx32def Mausmodellen konnte nachgewiesen werden, dass eine medikamentöse Inhibition des CSF-1-Rezeptors an Makrophagen zu einem verbesserten Nervphänotypen und einer deutlichen Abmilderung des Krankheitsbildes führte.
In dieser Arbeit wurden in P0het und Cx32def Mausmodellen weiterführende Behandlungsstudien mit einem CSF-1-RI durchgeführt, die untersuchen, zu welchem Zeitpunkt innerhalb des Krankheitsverlaufs (therapeutisch oder präventiv) eine erfolgreiche Therapie noch möglich ist und ob bei einem früheren Beginn eine noch bessere Wirkung erzielt werden kann.
Abhängig von den verschiedenen Start- und Endpunkten waren unterschiedliche Ergebnisse zu beobachten: Hinsichtlich der klinischen Parameter wie der Greifkraft und der Anzahl an abnormal innervierten Synapsen zeigten die Tiere im präventiven Behandlungszweig in beiden Mausmodellen das beste Ergebnis im Vergleich zu den Kontrolltieren. Diese substantielle Verbesserung ließ sich unabhängig von einem Makrophagen-Reflux sogar noch 6 Monate nach Behandlungsabbruch nachweisen.
Bezüglich der endoneuralen Makrophagendepletion war sowohl in den P0het als auch den Cx32def Tieren im präventiven sowie im therapeutischen Behandlungszweig eine signifikante Verbesserung zu beobachten.
Diese Ergebnisse heben ein weiteres Mal die Bedeutung der Makrophagen als Teil einer Entzündungsreaktion in der Pathogenese der CMT1-Neuropathie hervor. Des Weiteren konnte die These gefestigt werden, dass eine Inhibition des CSF-1-Rezeptors zu verbesserten histopathologischen sowie funktionellen Parametern führt. Um ein gutes Ansprechen auf die Therapie zu erzielen, müssen ein möglichst früher Therapiebeginn sowie eine nachhaltige Behandlungsdauer gewährleistet sein.
Die WHO definiert Gesundheit als völliges körperliches, geistiges und soziales Wohlbefinden. Während diese ganzheitliche Betrachtungsweise seit Menschengedenken nahezu weltweit das Gesundheitswesen prägt, hat die Medizin in Europa mit der naturwissenschaftlichen Erkenntnisrevolution einen Sonderweg eingeschlagen. Hier wird der kranke Organismus in erster Linie als defekter Apparat gesehen, der mit ausgeklügelter Technik zu reparieren ist. Aber auch präziseste Qualitätsarbeit stößt dabei oft an Leistungsgrenzen, weil sie als seelenlos erlebt wird. Daher sehen heute viele Fachgebiete die Notwendigkeit, ihre Behandlungskonzepte zu beseelen und ihre Behandlungserfolge auch anhand der subjektiv von Patienten empfundenen Lebensqualität zu beurteilen. Für die Ermittlung dieses PRO kommen etablierte psychometrische Testverfahren in Frage, die sich auch für routinemäßige Verlaufskontrollen eignen.
In der vorliegenden Arbeit wurde am Beispiel der mHE geprüft, welchen Nutzen eine PRO-Bestimmung bei der Verlaufskontrolle haben kann. Dazu wurde eine prospektive Studie mit anfänglich 75 Patienten durchgeführt. Alle hatten eine mHE und waren entweder alkoholbedingt oder aus anderen Gründen schwer leberkrank. An vier Terminen im Abstand von sechs Monaten wurden die kognitive Leistungsfähigkeit und der emotionale Status überprüft. Die Patienten zeigten anfänglich kognitive Einschränkungen, die sich im Verlauf der individuell abgestimmten Behandlung deutlich verbesserten oder ganz verschwanden. Die globale Testung mit dem MoCA ergab eine hochsignifikante Normalisierung im ersten Behandlungsjahr. Die MoCA-Werte am Studienanfang und -ende waren von der Erkrankungsursache unabhängig. Dieser Befund differenzierte sich in den Spezialtests TMT, PHES und NHPT. Hier zeigten die alkoholbedingt Erkrankten durchweg schlechtere Leistungen als die nicht-alkoholbedingt Erkrankten, erholten sich aber in der Regel auch deutlicher.
Die seelische Gestimmtheit gemäß BDI-II und die mit dem SF-36 MCS ermittelte psychosoziale Befindlichkeit waren in beiden Patientengruppen von Anfang an vergleichsweise günstig. Dabei hatten die alkoholbedingt Erkrankten die besseren Werte, speziell der BDI-II zeigte bei ihnen nach einem halben Jahr eine zusätzliche und bleibende Stimmungsaufhellung an. Der SF-36 PCS zum Körpererleben zeigte hingegen, dass sich die alkoholbedingt Erkrankten zu Studienbeginn in einer deutlich schlechteren Verfassung befanden. Diese verbesserte sich aber kontinuierlich, sodass nach 1,5 Jahren kein Unterschied mehr zu den nicht-alkoholbedingt Erkrankten bestand. Aus diesen Befunden und dem reichhaltigen Erfahrungsgut zur Alkoholkrankheit wird geschlossen, dass der Genesungsprozess bei alkoholbedingtem Leberversagen viel komplexer ist als bei nicht-alkoholbedingtem Leberversagen. Er könnte wesentlich mehr Zeit erfordern und wird offensichtlich anders erlebt. Dieser Patientengruppe könnten besondere physio- und gesprächstherapeutische Angebote eine große Hilfe sein.
Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist, mit wenig Aufwand komplementär zu den klinischen Verlaufsbefunden einen informativen PRO-Bericht zu erhalten. Er hilft Angehörigen und medizinischem Personal, die persönlichen Nöte und Hoffnungen der Patienten besser zu verstehen und gegebenenfalls einen Korrekturbedarf im Umgang zu erkennen. Hinzu kam im vorliegenden Fall die Erkenntnis, dass die alkoholbedingt Erkrankten in ihrem Kranksein anders betroffen waren. Die Gründe dafür sind im Nachhinein plausibel, der Sachverhalt als solcher wäre aber ohne diese Spezialuntersuchung wohl nicht erkannt worden. Das Beispiel der PRO-Ermittlung bei der mHE macht den praktischen Wert einer Berücksichtigung des gesamtheitlichen Gesundheitskonzepts der WHO auch in der technikzentrierten „westlichen Medizin“ deutlich.
Neurodegeneration by α-synuclein-specific T cells in AAV-A53T-α-synuclein Parkinson’s disease mice
(2022)
Background
Antigen-specific neuroinflammation and neurodegeneration are characteristic for neuroimmunological diseases. In Parkinson’s disease (PD) pathogenesis, α-synuclein is a known culprit. Evidence for α-synuclein-specific T cell responses was recently obtained in PD. Still, a causative link between these α-synuclein responses and dopaminergic neurodegeneration had been lacking. We thus addressed the functional relevance of α-synuclein-specific immune responses in PD in a mouse model.
Methods
We utilized a mouse model of PD in which an Adeno-associated Vector 1/2 serotype (AAV1/2) expressing human mutated A53T-α-Synuclein was stereotactically injected into the substantia nigra (SN) of either wildtype C57BL/6 or Recombination-activating gene 1 (RAG1)\(^{-/-}\) mice. Brain, spleen, and lymph node tissues from different time points following injection were then analyzed via FACS, cytokine bead assay, immunohistochemistry and RNA-sequencing to determine the role of T cells and inflammation in this model. Bone marrow transfer from either CD4\(^{+}\)/CD8\(^{-}\), CD4\(^{-}\)/CD8\(^{+}\), or CD4\(^{+}\)/CD8\(^{+}\) (JHD\(^{-/-}\)) mice into the RAG-1\(^{-/-}\) mice was also employed. In addition to the in vivo studies, a newly developed A53T-α-synuclein-expressing neuronal cell culture/immune cell assay was utilized.
Results
AAV-based overexpression of pathogenic human A53T-α-synuclein in dopaminergic neurons of the SN stimulated T cell infiltration. RNA-sequencing of immune cells from PD mouse brains confirmed a pro-inflammatory gene profile. T cell responses were directed against A53T-α-synuclein-peptides in the vicinity of position 53 (68–78) and surrounding the pathogenically relevant S129 (120–134). T cells were required for α-synuclein-induced neurodegeneration in vivo and in vitro, while B cell deficiency did not protect from dopaminergic neurodegeneration.
Conclusions
Using T cell and/or B cell deficient mice and a newly developed A53T-α-synuclein-expressing neuronal cell culture/immune cell assay, we confirmed in vivo and in vitro that pathogenic α-synuclein peptide-specific T cell responses can cause dopaminergic neurodegeneration and thereby contribute to PD-like pathology.
Neurodegeneration plays an essential role in Parkinson’s disease (PD). Several crucial neuronal pro-and antidegeneration markers were described to be altered in disease models accompanied by neurodegeneration. In the AAV1/2-A53T-aSyn PD rat model progressive time-dependent motor impairment and neurodegeneration in the nigrostriatal tract starting from 2 weeks after PD model induction could be found. Downregulation of Nrf2 in SN and nigrostriatal axon localization, a trend of Tau downregulation in SN and upregulation in axon localization in the AAV1/2-A53T-aSyn PD rat model were observed, indicating potential therapeutic value of these two molecular targets in PD. No alterations of SARM1 and NMNAT2 could be detected, indicating little relevance of these two molecules with our AAV1/2-A53T-aSyn rat model.
In dieser Arbeit wurde die Krankheitsprogression im Parkinson-Mausmodell hm2α-SYN-39 mit zunehmendem Alter charakterisiert. Die Mäuse wurden in 4 Altersgruppen (2-3, 7-8, 11-12, 16-17 Monate) mit motorischen Verhaltenstests auf einen Parkinson-Phänotyp untersucht. Zudem erfolgten Untersuchungen des dopaminergen Systems zur Detektion von neurochemischen Veränderungen und einer Neurodegeneration im nigrostriatalen Trakt. Weiterhin wurden neuroinflammatorische Prozesse des adaptiven und angeborenen IS in der SN und im Striatum mittels immunhistochemischer Färbungen beurteilt.
Ein Parkinson-Phänotyp in diesem Mausmodell zeigte sich nur leicht ausgeprägt, sodass der Rotarod- und Zylinder-Test lediglich den Hinweis auf eine nicht-signifikante Einschränkung der Motorik erbrachte. Dennoch ergab die stereologische Quantifizierung TH- und Nissl-positiver Zellen in der SNpc der hm2α-SYN-39 Mäuse eine altersabhängige, signifikant-progrediente Reduktion der dopaminergen Neurone mit zunehmendem Alter. Eine signifikant niedrigere TH-positive Zellzahl dieser tg Mäuse zeigte sich ab einem Alter von 16-17 Monaten verglichen zu gleichaltrigen wt Tieren. Dagegen war die Neurodegeneration im Striatum etwas weniger ausgeprägt. Die tg Mäuse präsentierten im Alter von 16-17 Monaten eine nicht-signifikante Erniedrigung der dopaminergen Terminalen verglichen zu gleichaltrigen wt Tieren. Ein DA-Mangel im Striatum der tg Mäuse konnte mittels HPLC bestätigt werden. Bis zum Alter von 16-17 Monaten wurde eine signifikante Reduktion der DA-Level von 23,2 % verglichen zu gleichaltrigen wt Mäusen gezeigt. Außerdem erniedrigt waren die striatalen Level von NA und 5-HAT bei tg Mäusen, passend zu den bisherigen Ergebnissen bei Parkinson-Patienten.
Immunhistochemische Untersuchungen einer Neuroinflammation im nigrostriatalen Trakt ergaben eine tendenziell erhöhte Infiltration von CD4- und CD8-positiven T-Zellen bei hm2α-SYN-39 Mäusen mit zunehmendem Alter, wobei die Infiltration CD8-positiver Zellen ausgeprägter war als bei CD4-positiven Zellen. Eine noch deutlichere neuroinflammatorische Reaktion zeigte das angeborene IS. Hierbei ergab die immunhistologische Quantifizierung CD11b-positiver mikroglialer Zellen einen hochsignifikanten Anstieg im nigrostriatalen Trakt bei hm2α-SYN-39 Mäusen schon im jungen Alter.
Zusammenfassend präsentierte dieses Parkinson-Mausmodell eine langsam-progrediente Parkinson-Pathologie mit begleitender Neuroinflammation im nigrostriatalen Trakt während des Alterns, wobei die Immunantwort der mikroglialen Zellen zu einem früheren Zeitpunkt einsetzte als die T-Zellinfiltration und Neurodegeneration. Dieses Mausmodell bietet zahlreiche Möglichkeiten zur zukünftigen Erforschung der Pathophysiologie beim MP. Generell weist diese Arbeit auf eine bedeutende Rolle neuroinflammatorischer Prozesse in der Krankheitsprogression der Parkinsonerkrankung hin und soll dazu ermutigen Neuroinflammation durchaus intensiver in tg Tiermodellen zu untersuchen.
Background
Ischemic stroke immediately evokes a strong neuro-inflammatory response within the vascular compartment, which contributes to primary infarct development under vessel occlusion as well as further infarct growth despite recanalization, referred to as ischemia/reperfusion injury. Later, in the subacute phase of stroke (beyond day 1 after recanalization), further inflammatory processes within the brain parenchyma follow. Whether this second wave of parenchymal inflammation contributes to an additional/secondary increase in infarct volumes and bears the potential to be pharmacologically targeted remains elusive. We addressed the role of the NLR-family pyrin domain-containing protein 3 (NLRP3) inflammasome in the subacute phase of ischemic stroke.
Methods
Focal cerebral ischemia was induced in C57Bl/6 mice by a 30-min transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO). Animals were treated with the NLRP3 inhibitor MCC950 therapeutically 24 h after or prophylactically before tMCAO. Stroke outcome, including infarct size and functional deficits as well as the local inflammatory response, was assessed on day 7 after tMCAO.
Results
Infarct sizes on day 7 after tMCAO decreased about 35% after delayed and about 60% after prophylactic NLRP3 inhibition compared to vehicle. Functionally, pharmacological inhibition of NLRP3 mitigated the local inflammatory response in the ischemic brain as indicated by reduction of infiltrating immune cells and reactive astrogliosis.
Conclusions
Our results demonstrate that the NLRP3 inflammasome continues to drive neuroinflammation within the subacute stroke phase. NLRP3 inflammasome inhibition leads to a better long-term outcome—even when administered with a delay of 1 day after stroke induction, indicating ongoing inflammation-driven infarct progression. These findings may pave the way for eagerly awaited delayed treatment options in ischemic stroke.