Neurologische Klinik und Poliklinik
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microRNA-Genexpressionsprofile in Blut-, Haut- und Nervenproben von Patienten mit Polyneuropathien
(2020)
Die Polyneuropathie (PNP) ist die häufigste Störung des peripheren Nervensystems bei Erwachsenen. Die Suche nach der Ursache bleibt in vielen Fällen erfolglos, ist aber unverzichtbar, da die Therapiewahl von der Ätiologie der Erkrankung abhängt. Geeignete Biomarker könnten die Differentialdiagnose unter Umständen erleichtern. microRNAs (miRNAs) sind in dieser Hinsicht vielversprechend, da in vielen Studien bei Nervende- und regenerationsprozessen sowie in neuropathischen Schmerzmodellen eine Dysregulation beschrieben wurde.
In dieser Studie wurde die Expression zweier miRNAs, miR-103a und miR-let-7d, sowie eines Zielmoleküls der miR-103a, des Kalziumkanals Cav1,2, in einer großen Kohorte von PNP-Patienten unterschiedlicher Ätiologie in Blut, Haut- und Nervenbiopsien untersucht. Insgesamt wurden 116 Patienten und 22 Kontroll-probanden in die Studie eingeschlossen. Nach der Isolation von RNA aus weißen Blutzellen (WBC), Haut- und Nervenbiopsien folgte die Expressionsbestimmung mittels qRT-PCR.
Während sich jeweils Unterschiede zwischen PNP-Patienten und Kontrollen und zwischen Patienten mit entzündlicher und solchen mit nicht-entzündlicher PNP zeigten, wurden keine Unterschiede in der Expression zwischen den ätiologischen Subgruppen oder zwischen Patienten mit schmerzhafter und schmerzloser PNP festgestellt. In den Nervenbiopsien der Patientenkohorte ergab sich eine inverse Korrelation der miR-103a und ihrem Zielgen Cacna1c, die darauf hinweisen könnte, dass Cacna1c von der miR-103a negativ reguliert wird.
Da in unserer Patientenkohorte keine Unterschiede zwischen den PNP-Subgruppen auftraten, scheint der Einsatz der miR-103a und miR-let-7d als diagnostische Biomarker zur ätiologischen Einordnung einer PNP nicht gerechtfertigt. Dennoch deuten unsere Ergebnisse auf eine mögliche Rolle der untersuchten miRNAs bei Entstehung und Verlauf von PNP hin. Für ein tieferes pathophysiologisches Verständnis der miRNAs vor allem bei entzündlichen Neuropathien, könnte die Untersuchung von weiteren miRNAs und Zielgenen Aufschluss geben.
Both nerve injury and complex regional pain syndrome (CRPS) can result in chronic pain. In traumatic neuropathy, the blood nerve barrier (BNB) shielding the nerve is impaired—partly due to dysregulated microRNAs (miRNAs). Upregulation of microRNA-21-5p (miR-21) has previously been documented in neuropathic pain, predominantly due to its proinflammatory features. However, little is known about other functions. Here, we characterized miR-21 in neuropathic pain and its impact on the BNB in a human-murine back translational approach. MiR-21 expression was elevated in plasma of patients with CRPS as well as in nerves of mice after transient and persistent nerve injury. Mice presented with BNB leakage, as well as loss of claudin-1 in both injured and spared nerves. Moreover, the putative miR-21 target RECK was decreased and downstream Mmp9 upregulated, as was Tgfb. In vitro experiments in human epithelial cells confirmed a downregulation of CLDN1 by miR-21 mimics via inhibition of the RECK/MMP9 pathway but not TGFB. Perineurial miR-21 mimic application in mice elicited mechanical hypersensitivity, while local inhibition of miR-21 after nerve injury reversed it. In summary, the data support a novel role for miR-21, independent of prior inflammation, in elicitation of pain and impairment of the BNB via RECK/MMP9.
Axon degeneration and functional decline in myelin diseases are often attributed to loss of myelin but their relation is not fully understood. Perturbed myelinating glia can instigate chronic neuroinflammation and contribute to demyelination and axonal damage. Here we study mice with distinct defects in the proteolipid protein 1 gene that develop axonal damage which is driven by cytotoxic T cells targeting myelinating oligodendrocytes. We show that persistent ensheathment with perturbed myelin poses a risk for axon degeneration, neuron loss, and behavioral decline. We demonstrate that CD8\(^+\) T cell-driven axonal damage is less likely to progress towards degeneration when axons are efficiently demyelinated by activated microglia. Mechanistically, we show that cytotoxic T cell effector molecules induce cytoskeletal alterations within myelinating glia and aberrant actomyosin constriction of axons at paranodal domains. Our study identifies detrimental axon-glia-immune interactions which promote neurodegeneration and possible therapeutic targets for disorders associated with myelin defects and neuroinflammation.
Wir untersuchten die zerebrale Aktivierung von Patienten mit Fibromyalgie-Syndrom (FMS) mittels funktioneller Nah-Infrarot-Spektroskopie (fNIRS). Das FMS ist ein Symptomenkomplex aus Schmerzen in mehreren Körperregionen sowie weiteren körperlichen und seelischen Beschwerden, wie Schlafstörungen, kognitiven Defiziten und Depressionen. Die fNIRS ist eine neue, nicht-invasive Technik, die eine indirekte Messung der regionalen kortikalen Hirnaktivierung erlaubt.
Es wurden 25 FMS-Patienten, 10 MD-Patienten ohne Schmerzen und 35 gesunde Kontrollen in die Studie eingeschlossen. Alle Patienten wurden klinisch-neurologisch untersucht. Darüber hinaus füllten alle Teilnehmer Fragebögen zu Schmerzen (GCPS, NPSI), FMS-Symptomen (FIQ), Depressionen (BDI II, ADS) und Empathiefähigkeit (SPF) aus. Die kortikale Aktivierung wurde unter drei Stimulations-Bedingungen mittels fNIRS gemessen: 1.) Anwendung mechanischer (Druck-) Schmerzreize auf den dorsalen Unterarm; 2.) Anwendung visuell-emotionaler Reize in Form von neutralen, negativen und Schmerz-assoziierten Bildern; 3.) Wortflüssigkeitstest. Ergänzend wurden die unter 2.) präsentierten Bilder bewertet sowie ein Zahlenverbindungstest durchgeführt.
FMS-Patienten hatten in den Schmerzfragebögen und im FIQ-Fragebogen deutlich höhere Werte als MD-Patienten und Kontrollen (p < 0,001). In den Depressionsfragebögen erreichten FMS-Patienten ähnlich hohe Werte wie MD-Patienten. Die Empathiefähigkeit war bei FMS-Patienten tendenziell stärker ausgeprägt als bei MD-Patienten und Kontrollen. FMS-Patienten zeigten niedrigere Druckschmerzschwellen bei gleicher Schmerzintensität als MD-Patienten und Kontrollen (p < 0,001). Auf einen unilateralen schmerzhaften Druckreiz reagierten FMS-Patienten mit einer verstärkten bilateralen kortikalen Aktivierung, die sich im Vergleich zu Kontrollen insbesondere im rechten präfrontalen Kortex (p < 0,05) sowie zu MD-Patienten bilateral im Frontalkortex unterschied (p < 0,05). Auf einen Druckreiz der gleichen Stärke, der für FMS-Patienten schmerzhaft, aber für Zusatzkontrollen schmerzfrei war, zeigten FMS-Patienten im Vergleich zu diesen eine verstärkte Aktivierung im linken dorsolateralen präfrontalen Kortex (p < 0,05). Der kortikale Aktivierungsunterschied bei Schmerz-assoziierten versus neutralen Bildern war bei FMS-Patienten im linken präfrontalen Kortex wesentlich ausgeprägter als bei Kontrollen (p < 0,05), während die Schmerz-assoziierten Bilder von FMS-Patienten weniger unangenehm bewertet wurden als von Kontrollen. Der Aktivierungsunterschied bei negativen versus neutralen Bildern war bei MD-Patienten im linken Frontalkortex wesentlich geringer ausgeprägt als bei FMS-Patienten und Kontrollen (p < 0,05). Im Wortflüssigkeitstest und im Zahlenverbindungstest konnten keine kognitiven Defizite bzw. Aktivierungsunterschiede zwischen FMS-Patienten und Kontrollen gefunden werden. Allerdings zeigten MD-Patienten in beiden Bedingungen des Wortflüssigkeitstests eine geringere frontale Aktivierung als FMS-Patienten und Kontrollen (p < 0,05).
Diese Studie belegt die veränderte zentrale Schmerzverarbeitung bei FMS-Patienten und zeigt, dass diese mittels fNIRS messbar ist. FMS-Patienten zeigten stärkere Aktivierungen Schmerz-assoziierter Hirnareale während mechanischer und visueller Schmerzstimuli im Vergleich zu gesunden Kontrollen. Zudem bestätigt diese Studie die Unterscheidung zwischen FMS und Depression.
Inflammation is crucial in the pathophysiology of stroke and thus a promising therapeutic target. High-frequency stimulation (HFS) of the mesencephalic locomotor region (MLR) reduces perilesional inflammation after photothrombotic stroke (PTS). However, the underlying mechanism is not completely understood. Since distinct neural and immune cells respond to electrical stimulation by releasing acetylcholine, we hypothesize that HFS might trigger the cholinergic anti-inflammatory pathway via activation of the α7 nicotinic acetylcholine receptor (α7nAchR). To test this hypothesis, rats underwent PTS and implantation of a microelectrode into the MLR. Three hours after intervention, either HFS or sham-stimulation of the MLR was applied for 24 h. IFN-γ, TNF-α, and IL-1α were quantified by cytometric bead array. Choline acetyltransferase (ChAT)\(^+\) CD4\(^+\)-cells and α7nAchR\(^+\)-cells were quantified visually using immunohistochemistry. Phosphorylation of NFĸB, ERK1/2, Akt, and Stat3 was determined by Western blot analyses. IFN-γ, TNF-α, and IL-1α were decreased in the perilesional area of stimulated rats compared to controls. The number of ChAT\(^+\) CD4\(^+\)-cells increased after MLR-HFS, whereas the amount of α7nAchR\(^+\)-cells was similar in both groups. Phospho-ERK1/2 was reduced significantly in stimulated rats. The present study suggests that MLR-HFS may trigger anti-inflammatory processes within the perilesional area by modulating the cholinergic system, probably via activation of the α7nAchR.
Connexin32- defiziente Mäuse stellen ein Mausmodell für eine Form der hereditären peripheren Neuropahtie dar. Es konnte gezeigt werden, dass Makrophagen, möglicherweise aktiviert durch MCP-1, die Demyelinisierung in Connexin32-defizienten Mäusen vermitteln. Diese Arbeit untersucht mögliche Signaltransduktionswege, die in den peripheren Nerven Connexin32- defizienter Mäuse aktiviert sein könnten und damit in Zusammenhang mit der Genexpression von MCP-1 und/oder Makrophagen-Aktivierung stehen könnten.
The mechanisms of mechanical energy recovery during gait have been thoroughly investigated in healthy subjects, but never described in patients with Parkinson disease (PD). The aim of this study was to investigate whether such mechanisms are preserved in PD patients despite an altered pattern of locomotion. We consecutively enrolled 23 PD patients (mean age 64±9 years) with bilateral symptoms (H&Y ≥II) if able to walk unassisted in medication-off condition (overnight suspension of all dopaminergic drugs). Ten healthy subjects (mean age 62±3 years) walked both at their ‘preferred’ and ‘slow’ speeds, to match the whole range of PD velocities. Kinematic data were recorded by means of an optoelectronic motion analyzer. For each stride we computed spatio-temporal parameters, time-course and range of motion (ROM) of hip, knee and ankle joint angles. We also measured kinetic (Wk), potential (W\(_{p}\)), total (W\(_{totCM}\)) energy variations and the energy recovery index (ER). Along with PD progression, we found a significant correlation of W\(_{totCM}\) and W\(_{p}\) with knee ROM and in particular with knee extension in terminal stance phase. W\(_{k}\) and ER were instead mainly related to gait velocity. In PD subjects, the reduction of knee ROM significantly diminished both W\(_{p}\) and W\(_{totCM}\). Rehabilitation treatments should possibly integrate passive and active mobilization of knee to prevent a reduction of gait-related energetic components.
The calpain inhibitor MDL-28710 blocks the early local pro-inflammatory cytokine gene expression in mice after chronic constriction nerve injury (CCI). Onehundred- thirteen wild type mice of C57Bl/6J background received CCI of the right sciatic nerve. Mechanical paw withdrawal thresholds and thermal withdrawal latencies were investigated at baseline and at 1, 3, and 7 days after CCI. Three application regimens were used for MDL-28170: a) single injection 40 min before CCI; b) serial injections of MDL- 28170 40 min before and up to day three after CCI; c) sustained application via intraperitoneal osmotic pumps. The control animals received the vehicle DMSO/PEG 400. The tolerable dose of MDL-28170 for mice was 30 mg/kg body weight, higher doses were lethal within the first hours after application. Mechanical withdrawal thresholds and thermal withdrawal latencies were reduced after CCI and did not normalize after single or serial injections, nor with application of MDL-28170 via osmotic pumps. Although the calpain inhibitor MDL-28170 inhibits the early local cytokine upregulation in the sciatic nerve after CCI, pain behavior is not altered. This finding implies that local cytokine upregulation after nerve injury alone is only one factor in the induction and maintenance of neuropathic pain.
Immune-mediated polyneuropathies like chronic inflammatory demyelinating polyradiculoneuropathy or Guillain-Barré syndrome are rare diseases of the peripheral nervous system. A subgroup of patients harbors autoantibodies against nodal or paranodal antigens, associated with a distinct phenotype and treatment response. In a part of patients with pathologic paranodal or nodal immunoreactivity the autoantigens remain difficult or impossible to determine owing to limitations of the used detection approach - usually ELISAs (enzyme-linked-immunosorbent-assays) - and incomplete knowledge of the possible autoantigens. Due to their high-throughput, low sample consumption and high sensitivity as well as the possibility to display many putative nodal and paranodal autoantigens simultaneously, peptide microarray-based approaches are prime candidates for the discovery of novel autoantigens, point-of-care diagnostics and, in addition, monitoring of pathologic autoimmune response. Current applications of peptide microarrays are however limited by high false-positive rates and the associated need for detailed follow-up studies and validation. Here, robust peptide microarray-based detection of antibodies and the efficient validation of binding signals by on-chip neutralization is demonstrated. First, autoantigens were displayed as overlapping peptide libraries in microarray format. Copies of the biochips were used for the fine mapping of antibody epitopes. Next, binding signals were validated by antibody neutralization in solution. Since neutralizing peptides are obtained in the process of microarray fabrications, neither throughput nor costs are significantly altered. Similar in-situ validation approaches could contribute to future autoantibody characterization and detection methods as well as to therapeutic research. Areas of application could be expanded to any autoimmune-mediated neurological disease as a long-term vision.
Repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) is a non-invasive brain stimulation technique that has the potential to treat a variety of neurologic and psychiatric disorders. The extent of rTMS-induced neuroplasticity may be dependent on a subject’s brain state at the time of stimulation. Chronic low intensity rTMS (LI-rTMS) has previously been shown to induce beneficial structural and functional reorganisation within the abnormal visual circuits of ephrin-A2A5\(^{-/-}\) mice in ambient lighting. Here, we administered chronic LI-rTMS in adult ephrin-A2A5\(^{-/-}\) mice either in a dark environment or concurrently with voluntary locomotion. One day after the last stimulation session, optokinetic responses were assessed and fluorescent tracers were injected to map corticotectal and geniculocortical projections. We found that LI-rTMS in either treatment condition refined the geniculocortical map. Corticotectal projections were improved in locomotion+LI-rTMS subjects, but not in dark + LI-rTMS and sham groups. Visuomotor behaviour was not improved in any condition. Our results suggest that the beneficial reorganisation of abnormal visual circuits by rTMS can be significantly influenced by simultaneous, ambient visual input and is enhanced by concomitant physical exercise. Furthermore, the observed pathway-specific effects suggest that regional molecular changes and/or the relative proximity of terminals to the induced electric fields influence the outcomes of LI-rTMS on abnormal circuitry.