Neurologische Klinik und Poliklinik
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- Wurzburg Fabry Center for Interdisciplinary Therapy (FAZIT), Wurzburg, Germany (1)
- Würzburg Fabry Center for Interdisciplinary Therapy (FAZIT), University of Würzburg, Würzburg, Germany (1)
We investigated in vivo brain nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) distribution in cognitively intact subjects with Parkinson's disease (PD) at an early stage of the disease. Fourteen patients and 13 healthy subjects were imaged with single photon emission computed tomography and the radiotracer 5-[(123)I]iodo-3-[2(S)-2-azetidinylmethoxy]pyridine ([(123)I]5IA). Patients were selected according to several criteria, including short duration of motor signs (<7 years) and normal scores at an extensive neuropsychological evaluation. In PD patients, nAChR density was significantly higher in the putamen, the insular cortex and the supplementary motor area and lower in the caudate nucleus, the orbitofrontal cortex, and the middle temporal gyrus. Disease duration positively correlated with nAChR density in the putamen ipsilateral (ρ = 0.56, p < 0.05) but not contralateral (ρ = 0.49, p = 0.07) to the clinically most affected hemibody. We observed, for the first time in vivo, higher nAChR density in brain regions of the motor and limbic basal ganglia circuits of subjects with PD. Our findings support the notion of an up-regulated cholinergic activity at the striatal and possibly cortical level in cognitively intact PD patients at an early stage of disease.
Traumatic brain injury (TBI) induces a strong inflammatory response which includes blood-brain barrier damage, edema formation and infiltration of different immune cell subsets. More recently, microvascular thrombosis has been identified as another pathophysiological feature of TBI. The contact-kinin system represents an interface between inflammatory and thrombotic circuits and is activated in different neurological diseases. C1-Inhibitor counteracts activation of the contact-kinin system at multiple levels. We investigated the therapeutic potential of C1-Inhibitor in a model of TBI. Male and female C57BL/6 mice were subjected to cortical cryolesion and treated with C1-Inhibitor after 1 h. Lesion volumes were assessed between day 1 and day 5 and blood-brain barrier damage, thrombus formation as well as the local inflammatory response were determined post TBI. Treatment of male mice with 15.0 IU C1-Inhibitor, but not 7.5 IU, 1 h after cryolesion reduced lesion volumes by ~75% on day 1. This protective effect was preserved in female mice and at later stages of trauma. Mechanistically, C1-Inhibitor stabilized the blood-brain barrier and decreased the invasion of immune cells into the brain parenchyma. Moreover, C1-Inhibitor had strong antithrombotic effects. C1-Inhibitor represents a multifaceted anti-inflammatory and antithrombotic compound that prevents traumatic neurodegeneration in clinically meaningful settings.
Traumatic brain injury (TBI) is a major cause of mortality and morbidity worldwide. Despite improvements in acute intensive care, there are currently no specific therapies to ameliorate the effects of TBI. Successful therapeutic strategies for TBI should target multiple pathophysiologic mechanisms that occur at different stages of brain injury. The kallikrein-kinin system is a promising therapeutic target for TBI as it mediates key pathologic events of traumatic brain damage, such as edema formation, inflammation, and thrombosis. Selective and specific kinin receptor antagonists and inhibitors of plasma kallikrein and coagulation factor XII have been developed, and have already shown therapeutic efficacy in animal models of stroke and TBI. However, conflicting preclinical evaluation, as well as limited and inconclusive data from clinical trials in TBI, suggests that caution should be taken before transferring observations made in animals to humans. This review summarizes current evidence on the pathologic significance of the kallikrein-kinin system during TBI in animal models and, where available, the experimental findings are compared with human data.
Background: Progressive Supranuclear Palsy (PSP) is a sporadic and progressive neurodegenerative disease which belongs to the family of tauopathies and involves both cortical and subcortical structures. No effective therapy is to date available.
Methods/design: Autologous bone marrow (BM) mesenchymal stem cells (MSC) from patients affected by different type of parkinsonisms have shown their ability to improve the dopaminergic function in preclinical and clinical models. It is also possible to isolate and expand MSC from the BM of PSP patients with the same proliferation rate and immuphenotypic profile as MSC from healthy donors. BM MSC can be efficiently delivered to the affected brain regions of PSP patients where they can exert their beneficial effects through different mechanisms including the secretion of neurotrophic factors. Here we propose a randomized, placebo-controlled, double-blind phase I clinical trial in patients affected by PSP with MSC delivered via intra-arterial injection.
Discussion: To our knowledge, this is the first clinical trial to be applied in a no-option parkinsonism that aims to test the safety and to exploit the properties of autologous mesenchymal stem cells in reducing disease progression. The study has been designed to test the safety of this " first-in-man" approach and to preliminarily explore its efficacy by excluding the placebo effect.
Trial registration: NCT01824121
FoxP3+Regulatory T Cells Determine Disease Severity in Rodent Models of Inflammatory Neuropathies
(2014)
Inflammatory neuropathies represent disabling human autoimmune disorders with considerable disease variability. Animal models provide insights into defined aspects of their disease pathogenesis. Forkhead box P3 (FoxP3)+ regulatory T lymphocytes (Treg) are anti-inflammatory cells that maintain immune tolerance and counteract tissue damage in a variety of immune-mediated disorders. Dysfunction or a reduced frequency of Tregs have been associated with different human autoimmune disorders. We here analyzed the functional relevance of Tregs in determining disease manifestation and severity in murine models of autoimmune neuropathies. We took advantage of the DEREG mouse system allowing depletion of Treg with high specificity as well as anti-CD25 directed antibodies to deplete Tregs in mice in actively induced experimental autoimmune neuritis (EAN). Furthermore antibody-depletion was performed in an adoptive transfer model of chronic neuritis. Early Treg depletion increased clinical EAN severity both in active and adoptive transfer chronic neuritis. This was accompanied by increased proliferation of myelin specific T cells and histological signs of peripheral nerve inflammation. Late stage Treg depletion after initial disease manifestation however did not exacerbate inflammatory neuropathy symptoms further. We conclude that Tregs determine disease severity in experimental autoimmune neuropathies during the initial priming phase, but have no major disease modifying function after disease manifestation. Potential future therapeutic approaches targeting Tregs should thus be performed early in inflammatory neuropathies.
Background: Persistent pain after inguinal herniorrhaphy is a disabling condition with a lack of evidence-based pharmacological treatment options. This randomized placebo-controlled trial investigated the efficacy of a capsaicin 8% cutaneous patch in the treatment of severe persistent inguinal postherniorrhaphy pain. Methods: Forty-six patients with persistent inguinal postherniorrhaphy pain were randomized to receive either a capsaicin 8% patch or a placebo patch. Pain intensity (Numerical Rating Scale [NRS 0-10]) was evaluated under standardized conditions (at rest, during movement, and during pressure) at baseline and at 1, 2 and 3 months after patch application. Skin punch biopsies for intraepidermal nerve fiber density (IENFD) measurements were taken at baseline and 1 month after patch application. Quantitative sensory testing was performed at baseline and at 1, 2, and 3 months after patch application. The primary outcome was comparisons of summed pain intensity differences (SPIDs) between capsaicin and placebo treatments at 1, 2 and 3 months after patch application (significance level P<0.01). Results: The maximum difference in SPID, between capsaicin and placebo treatments, was observed at 1 month after patch application, but the pain reduction was not significant (NRS, mean difference [95% CI]: 5.0 [0.09 to 9.9]; P=0.046). No differences in SPID between treatments were observed at 2 and 3 months after patch application. Changes in IENFD on the pain side, from baseline to 1 month after patch application, did not differ between capsaicin and placebo treatment: 1.9 [-0.1 to 3.9] and 0.6 [-1.2 to 2.5] fibers/mm, respectively (P=0.32). No significant changes in sensory function, sleep quality or psychological factors were associated with capsaicin patch treatment. Conclusions: The study did not demonstrate significant differences in pain relief between capsaicin and placebo treatment, although a trend toward pain improvement in capsaicin treated patients was observed 1 month after patch application.
Myelin formation during peripheral nervous system (PNS) development, and reformation after injury and in disease, requires multiple intrinsic and extrinsic signals. Akt/mTOR signaling has emerged as a major player involved, but the molecular mechanisms and downstream effectors are virtually unknown. Here, we have used Schwann-cell-specific conditional gene ablation of raptor and rictor, which encode essential components of the mTOR complexes 1 (mTORC1) and 2 (mTORC2), respectively, to demonstrate that mTORC1 controls PNS myelination during development. In this process, mTORC1 regulates lipid biosynthesis via sterol regulatory element-binding proteins (SREBPs). This course of action is mediated by the nuclear receptor RXRg, which transcriptionally regulates SREBP1c downstream of mTORC1. Absence of mTORC1 causes delayed myelination initiation as well as hypomyelination, together with abnormal lipid composition and decreased nerve conduction velocity. Thus, we have identified the mTORC1-RXR gamma-SREBP axis controlling lipid biosynthesis as a major contributor to proper peripheral nerve function.
Background: Patients presenting with bilateral trigeminal hypoesthesia may go on to have trigeminal isolated sensory neuropathy, a benign, purely trigeminal neuropathy, or facial-onset sensory motor neuronopathy (FOSMN), a malignant life-threatening condition. No diagnostic criteria can yet differentiate the two conditions at their onset. Nor is it clear whether the two diseases are distinct entities or share common pathophysiological mechanisms.
Methods: Seeking pathophysiological and diagnostic information to distinguish these two conditions at their onset, in this neurophysiological and morphometric study we neurophysiologically assessed function in myelinated and unmyelinated fibres and histologically examined supraorbital nerve biopsy specimens with optic and electron microscopy in 13 consecutive patients with recent onset trigeminal hypoesthesia and pain.
Results: The disease course distinctly differed in the 13 patients. During a mean 10 year follow-up whereas in eight patients the disease remained relatively stable, in the other five it progressed to possibly life-threatening motor disturbances and extra-trigeminal spread. From two to six years elapsed between the first sensory symptoms and the onset of motor disorders. In patients with trigeminal isolated sensory neuropathy (TISN) and in those with FOSMN neurophysiological and histological examination documented a neuronopathy manifesting with trigeminal nerve damage selectively affecting myelinated fibres, but sparing the Ia-fibre-mediated proprioceptive reflex.
Conclusions: Although no clinical diagnostic criteria can distinguish the two conditions at onset, neurophysiological and nerve-biopsy findings specify that in both disorders trigeminal nerve damage manifests as a dissociated neuronopathy affecting myelinated and sparing unmyelinated fibres, thus suggesting similar pathophysiological mechanisms.
Natalizumab ist ein humanisierter monoklonaler Antikörper gegen das Oberflächenadhäsionsmolekül Integrin α-4, der zur Therapie von schweren Verlaufsformen der Multiplen Sklerose (MS) zugelassen ist. Integrin α-4/β-1 wird durch Leukozyten exprimiert und steuert deren Extravasation über die Bindung an VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule-1) auf Endothelzellen. Natalizumab wirkt über eine Blockade der Leukozytenadhäsion. In einigen Publikationen konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass Integrin α-4 auch auf zerebralen Endothelzellen von Mäusen und Ratten exprimiert wird. In der vorliegenden Arbeit wurde die Expression und Funktion von Integrin α-4 in kultivierten primären humanen zerebralen Endothelzellen untersucht.
Die im Rahmen dieser Arbeit an verschiedenen Einzelspenderpräparationen durchgeführten FACS-Analysen zeigten, dass Integrin α-4 in unterschiedlicher Ausprägung auf primären zerebralen Endothelzellisolationen nachzuweisen war. Mit Hilfe immunzytochemischer Färbungen konnte ein spezifisches Verteilungsmuster des Integrin α-4 in Form eines feinen, granulären Musters im Bereich des Zellleibes dokumentiert werden.
In Adhäsionsversuchen zeigten Integrin α-4-exprimierende Endothelzellen nach Zugabe von Natalizumab in niedriger Konzentration eine verminderte Fähigkeit zur Haftung an Fibronectin, einem Bindungspartner in der extrazellulären Matrix. In hohen Konzentrationen dominierte im eingesetzten experimentellen System ein unspezifischer Blockadeeffekt, der auch mit Kontrollantikörpern zu beobachten war.
In MS-Läsionen findet sich auch die lösliche Form des VCAM-1 (sVCAM-1), die möglicherweise mit endothelialem Integrin α-4 interagiert. Daher wurde mit Hilfe von Western-Blot-Untersuchungen die intrazelluläre Signaltransduktion unter Stimulation mit sVCAM-1 untersucht. Es zeigte sich wie in anderen Endothelarten vorbeschrieben eine Aktivierung des p38-MAP-Kinase-Signalweges.
Zusammenfassend wurde demonstriert, dass primäre humane zerebrale Endothelzellen Integrin α-4 exprimieren und dass dieses wahrscheinlich nicht nur für die mechanische Verankerung in der Extrazellulärmatrix eine Bedeutung besitzt, sondern auch als Induktor intrazellulärer Signaltransduktion fungiert, welche die Schrankeneigenschaften zerebraler Endothelzellen beeinflussen könnte.
Background
Postherpetic neuralgia (PHN) is the painful complication of a varicella zoster virus reactivation. We investigated the systemic and local gene expression of pro- and anti-inflammatory cytokine expression in patients with PHN.
Methods
Thirteen patients with PHN at the torso (Th4-S1) were recruited. Skin punch biopsies were obtained from the painful and the contralateral painless body area for intraepidermal nerve fiber density (IENFD) and cytokine profiling. Additionally, blood was withdrawn for systemic cytokine expression and compared to blood values of healthy controls. We analyzed the gene expression of selected pro- and anti-inflammatory cytokines (tumor necrosis factor-alpha [TNF] and interleukins [IL]-1β, IL-2, and IL-8).
Results
IENFD was lower in affected skin compared to unaffected skin (p<0.05), while local gene expression of pro- and anti-inflammatory cytokines did not differ except for two patients who had 7fold higher IL-6 and 10fold higher IL-10 gene expression in the affected skin compared to the contralateral unaffected skin sample. Also, the systemic expression of cytokines in patients with PHN and in healthy controls was similar.
Conclusion
While the systemic and local expression of the investigated pro- and anti-inflammatory cytokines was not different from controls, this may have been influenced by study limitations like the low number of patients and different disease durations. Furthermore, other cytokines or pain mediators need to be considered.
A high load of white matter lesions and enlarged basilar arteries have been shown in selected patients with Fabry disease, a disorder associated with an increased stroke risk. We studied a large cohort of patients with Fabry disease to differentially investigate white matter lesion load and cerebral artery diameters. We retrospectively analyzed cranial magnetic resonance imaging scans of 87 consecutive Fabry patients, 20 patients with ischemic stroke, and 36 controls. We determined the white matter lesion load applying the Fazekas score on fluid-attenuated inversion recovery sequences and measured the diameters of cerebral arteries on 3D-reconstructions of the time-of-flight-MR-angiography scans. Data of different Fabry patient subgroups (males – females; normal – impaired renal function) were compared with data of patients with stroke and controls. A history of stroke or transient ischemic attacks was present in 4/30 males (13%) and 5/57 (9%) females with Fabry disease, all in the anterior circulation. Only one man with Fabry disease showed confluent cerebral white matter lesions in the Fazekas score assessment (1%). Male Fabry patients had a larger basilar artery (p<0.01) and posterior cerebral artery diameter (p<0.05) compared to male controls. This was independent of disease severity as measured by renal function and did not lead to changes in arterial blood flow properties. A basilar artery diameter of >3.2 mm distinguished between men with Fabry disease and controls (sensitivity: 87%, specificity: 86%, p<0.001), but not from stroke patients. Enlarged arterial diameters of the posterior circulation are present only in men with Fabry disease independent of disease severity.
Skin cytokine expression in patients with fibromyalgia syndrome is not different from controls
(2014)
Background
Fibromyalgia syndrome (FMS) is a chronic pain syndrome of unknown etiology. There is increasing evidence for small nerve fiber impairment in a subgroup of patients with FMS. We investigated whether skin cytokine and delta opioid receptor (DOR) gene expression in FMS patients differs from controls as one potential contributor to small nerve fiber sensitization.
Methods
We investigated skin punch biopsies of 25 FMS patients, ten patients with monopolar depression but no pain, and 35 healthy controls. Biopsies were obtained from the lateral upper thigh and lower calf. Gene expression of the pro-inflammatory cytokines tumor necrosis factor-alpha (TNF), interleukin (IL)-6, and IL-8 and of the anti-inflammatory cytokine IL-10 was analyzed using quantitative real-time PCR and normalizing data to 18sRNA as housekeeping gene. Additionally, we assessed DOR gene expression.
Results
All cytokines and DOR were detectable in skin samples of FMS patients, patients with depression, and healthy controls without intergroup difference. Also, gene expression was not different in skin of the upper and lower leg within and between the groups and in FMS patient subgroups.
Conclusions
Skin cytokine and DOR gene expression does not differ between patients with FMS and controls. Our results do not support a role of the investigated cytokines in sensitization of peripheral nerve fibers as a potential mechanism of small fiber pathology in FMS.
Introduction
The neuronal ceroid lipofuscinoses constitute a group of fatal inherited lysosomal storage diseases that manifest in profound neurodegeneration in the CNS. Visual impairment usually is an early symptom and selective degeneration of retinal neurons has been described in patients suffering from distinct disease subtypes. We have previously demonstrated that palmitoyl protein thioesterase 1 deficient (Ppt1-/-) mice, a model of the infantile disease subtype, exhibit progressive axonal degeneration in the optic nerve and loss of retinal ganglion cells, faithfully reflecting disease severity in the CNS. Here we performed spectral domain optical coherence tomography (OCT) in Ppt1-/- and ceroid lipofuscinosis neuronal 3 deficient (Cln3-/-) mice, which are models of infantile and juvenile neuronal ceroid lipofuscinosis, respectively, in order to establish a non-invasive method to assess retinal alterations and monitor disease severity in vivo.
Results
Blue laser autofluorescence imaging revealed increased accumulation of autofluorescent storage material in the inner retinae of 7-month-old Ppt1-/- and of 16-month-old Cln3-/- mice in comparison with age-matched control littermates. Additionally, optical coherence tomography demonstrated reduced thickness of retinae in knockout mice in comparison with age-matched control littermates. High resolution scans and manual measurements allowed for separation of different retinal composite layers and revealed a thinning of layers in the inner retinae of both mouse models at distinct ages. OCT measurements correlated well with subsequent histological analysis of the same retinae.
Conclusions
These results demonstrate the feasibility of OCT to assess neurodegenerative disease severity in mouse models of neuronal ceroid lipofuscinosis and might have important implications for diagnostic evaluation of disease progression and therapeutic efficacy in patients. Moreover, the non-invasive method allows for longitudinal studies in experimental models, reducing the number of animals used for research.
Background
The role of the immune system in the pathophysiology of acute ischemic stroke is increasingly recognized. However, targeted treatment strategies to modulate immunological pathways in stroke are still lacking. Glatiramer acetate is a multifaceted immunomodulator approved for the treatment of relapsing-remitting multiple sclerosis. Experimental studies suggest that glatiramer acetate might also work in other neuroinflammatory or neurodegenerative diseases apart from multiple sclerosis.
Findings
We evaluated the efficacy of glatiramer acetate in a mouse model of brain ischemia/reperfusion injury. 60 min of transient middle cerebral artery occlusion was induced in male C57Bl/6 mice. Pretreatment with glatiramer acetate (3.5 mg/kg bodyweight) 30 min before the induction of stroke did not reduce lesion volumes or improve functional outcome on day 1.
Conclusions
Glatiramer acetate failed to protect from acute ischemic stroke in our hands. Further studies are needed to assess the true therapeutic potential of glatiramer acetate and related immunomodulators in brain ischemia.
Zytotoxische CD8+ T-Lymphozyten spielen in vielen inflammatorischen, aber auch primär neurodegenerativen Erkrankungen eine wichtige Rolle. Daher besitzt die Fragestellung inwiefern CD8+ ZTL Neurone direkt schädigen und ggf. welche mechanistischen Aspekte dieser Schädigung zugrunde liegen, eine hohe Relevanz. Um diese Fragestellung eingehender zu beleuchten, wurde mit dem OT-I-System gearbeitet. Dieses gut vorcharakterisierte CD8+ T-Zell-Modell besitzt den Vorteil, dass diese transgenen Zellen nur eine Peptidsequenz des Ovalbumin (OVA) Protein als spezifisches Antigen erkennen.
Zunächst wurden in der vorliegenden Arbeit Co-Kultivierungs-Experimente durchgeführt. Hierzu wurden akut isolierte murine Hippokampus-Neurone unter verschiedenen Bedingungen mit OT-I Lymphozyten co-kultiviert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass unter Antigenpräsentation der Neurone signifikant mehr Neurone in die Apoptose/Nekrose geführt werden, als unter Kontroll-Bedingungen, in denen entweder kein Antigen oder ein Antigen, das nicht von OT-I Lymphozyten erkannt wird, präsentiert wird.
Nachdem die Antigen-abhängigen zytotoxischen Effekte auf Neurone gezeigt werden konnten, wurde mithilfe elektrophysiologischer Techniken die mechanistischen und funktionellen Konsequenzen des direkten neuronalen/OT-I-vermittelten Zellkontakts untersucht. Bei diesem experimentellen Ansatz wurde durch elektrisches Auslenken eines Neurons nach Kontakt mit einem OT-I Lymphozyt die passiven elektrischen Parameter der Neuronenmembran gemessen. In diesen Messungen konnte gezeigt werden, dass nach unmittelbarem Kontakt eines Neurons mit einem OT-I Lymphozyt der neuronale Membranwiderstand reduziert wird bzw. die Leitfähigkeit der Zellmembran erhöht wird. Diese Änderung der neuronalen Membran-Leitfähigkeit findet in einem Zeitraum von 10 min nach dem Zell-Zell-Kontakt statt. Auch hier konnte gezeigt werden, dass dieser Einfluss von OT-I Lymphozyten auf Neurone strikt Antigen-abhängig ist. Zur Untersuchung des Mechanismus der OT-I T-Lymphozyten auf Neurone wurde das Augenmerk auf verschiedene T-Zell-induzierte Apoptosewegegelegt. Es konnte gezeigt werden, dass durch Blockieren der Fas/FasL-Interaktion mittels eines Antikörpers kein Unterschied, weder in der neuronalen Apoptoserate nach Co-Kultivierung, noch eine Änderung der passiven neuronalen Membran-Leitfähigkeit auftritt. Weiterhin wurde die Rolle der von T-Zellen sezernierten Granula Perforin und Granzym B untersucht. Um den Einfluss dieser Granula aufzuklären, wurden OT-I Lymphozyten verwendet, die entweder defizient für Perforin oder Granzym B waren. In diesem experimentellen Ansatz wurde gezeigt, dass ausschließlich Perforin für die Erniedrigung des passiven neuronalen Membran-Widerstandes verantwortlich ist.
Diese Erhöhung der neuronalen Membranleitfähigkeit führte aber nicht direkt zum neuronalen Zelltod. Vielmehr wurde durch die einhergehende Depolarisation des Neurons die elektrische Aktivität der Zelle vermindert, sodass es zu einem sogenannten „electrical silencing“ kommt. Dieser Umstand konnte auch in der Betrachtung der spontanen Netzwerkaktivität von Neuronenkulturen gezeigt werden. Hierfür wurden hoch dichte Neuronenkulturen auf MEA-Chips kultiviert. Mit Hilfe dieser MEA konnten die Summenfeldpotentiale der Neuronenkulturen detektiert werden. Hierbei wurde beobachtet, dass nach Beladung der Neuronen mit dem spezifischen OT-I-Antigen und OT-I Zellen eine Verringerung der spontanen Netzwerkaktivität einhergeht. Auch in diesem Effekt konnte eine Antigen-Spezifität nachgewiesen werden.
Da der Prozess der zellulären Apoptose mit einem Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration einhergeht, und Perforin als Ca2+-durchlässiger unselektiver Porenbildner fungiert, wurden zur Überprüfung der Hypothese calcium imaging-Experimente durchgeführt. Analog zu den elektrophysiologischen Messungen wurde gezeigt, dass nach direktem Zell-Zell-Kontakt zwischen Neuron und OT-I Lymphozyt eine Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration zu messen ist. Dass diese Änderung des neuronalen Ca2+-Einstroms durch Perforin-abhängige Membranporen hervorgerufen wird, konnte durch die Verwendung von Perforin-defizienten OT-I Lymphozyten bewiesen werden. Unter Verwendung von Perforin-defizienten OT-I Lymphozyten wurde keine Änderung der neuronalen Ca2+-Konzentration ermittelt. Weiterhin wurde in diesem experimentellen Ansatz gezeigt, dass auch der OT-I-vermittelte neuronale Ca2+-Anstieg strikt Antigen-abhängig ist.Zusammengefasst konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass MHC-I/Antigen-vermittelte CD8+ Lymphozyten-Interaktion mit einem Neuron zu „electrical silencing“ des Neurons führt. Dieser Prozess ist klar Perforin-abhängig, führt jedoch nicht zum unmittelbaren Zelltod des Neurons.
Über die Nervensonographie wurde bereits in den 1980er Jahren erstmals berichtet. Die rasche Weiterentwicklung der Technik hat dazu geführt, dass es inzwischen zahlreiche Fallberichte und einige Studien gibt, die sich mit der Darstellung peripherer Nerven durch Ultraschall als Mittel zur Diagnose verschiedener Nervpathologien beschäftigen. Besonders bei der Diagnostik des epidemiologisch häufigen Karpaltunnelsyndroms ist die sonographische Beurteilung des N. medianus in dieser Lokalisation vielerorts bereits etablierter Bestandteil der Diagnostik.
In der hier vorgelegten Studie sollte der Stellenwert der B-Bild-Sonographie peripherer Nerven am Unterschenkel für die Diagnose einer Vaskulitischen Neuropathie geprüft werden. Dazu musste zunächst die Ultraschalluntersuchung spezieller Nerven am Unterschenkel etabliert werden. Diese ist technisch deutlich anspruchsvoller als die Darstellung von Karpaltunnelsyndrom oder Armplexus.
Durch die fünfmalige Untersuchung zehn junger Personen wurden ultraschalltechnisch leicht reproduzierbar anatomisch auffindbare und Anisotropie-vermeidende Abschnitte von N. suralis, N. peroneus communis, profundus, superfcialis und N. tibialis definiert und als Messpunkte der Studie zu Grunde gelegt.
In die von der Ethikkommission der Medizinischen Fakultät positiv beschiedene Studie wurden 26 Patienten/-innen, die klinisch und elektrophysiologisch nachgewiesen eine Polyneuropathie hatten und bei denen zur Ursachendiagnostik eine Biopsie und histologische Aufarbeitung des N. suralis durchgeführt wurde (Abteilung für Neuropathologie des Pathologischen Instituts der Universität sowie Histologielabor der Neurologischen Universitätsklinik), sowie 26 Kontrollpersonen ohne klinischen Hinweis auf eine Polyneuropathie nach informiertem Einverständnis aufgenommen. Für jede/-n Patienten/-in wurde ein/-e Proband/-in gleichen Geschlechts mit einem Altersunterschied von höchstens fünf Jahren in die Kontrollgruppe aufgenommen. Alle 52 Untersuchten mussten erwachsen und 160 – 180 cm groß sein.
Bei allen Patienten/-innen und Kontrollpersonen wurden jeweils der GD, der KD, der LD und die QSF des N. suralis am unteren Drittel der Wade und distal im Bereich des Außenknöchels, des N. tibialis nahe des Innenknöchels, des N. peroneus communis im Bereich des Fibulaköpfchens, des N. peroneus profundus am Fußrücken und nahe der Großzehen und des N. peroneus superficialis im Bereich des distalen Schienbeins bestimmt.
Alle gesuchten Nerven waren bei allen Versuchspersonen eindeutig identifizierbar. Die Untersuchungen wurden durch eine Untersucherin mit demselben Gerät, geblindet für das Ergebnis der Histologie, durchgeführt. Das gewährleistete eine Konstanz in der schwierigen und mit Unsicherheiten behafteten Messung der Nervenstrukturen, was ausführlich diskutiert wird.
Ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den sonographisch erhobenen Messdaten der PNP-Gruppe und der Kontrollgruppe konnte bei 20 der 28 Parameter gezeigt werden. Bei 11 der 28 Parameter konnte zwischen Vaskulitis-Patienten/-innen und allen anderen, also PNP-Patienten/-innen und der Kontrollgruppe, ein statistisch signifikanter Unterschied festgestellt werden. Außerdem ergab die statistische Analyse bei drei der 28 Messgrößen einen statistisch signifikanten Unterschied zwischen Patienten/-innen mit und ohne Demyelinisierung des N. suralis in der feingeweblichen Untersuchung.
Die sonographischen Ergebnisse der Vakulitis-Patienten/-innen unterschieden sich nicht von denen der PNP-Patienten/-innen mit anderer Ätiologie. Es wurde auch kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den Werten der PNP-Patienten/-innen mit und ohne histologisch gesicherte entzündliche Komponente beobachtet.
Gemäß der histologischen Untersuchung der Biopsate wurde bei sechs Patienten/-innen eine Vaskulitis diagnostiziert. Bei fünf dieser Patienten/-innen fielen teilweise Kalibersprünge im Sinne einer Zunahme der QSF oder Abflachung im Verlauf des N. suralis, N. peroneus superficialis und N. peroneus communis auf. Aber auch bei Patienten/-innen mit einer anderen Form der Polyneuropathie und einigen Kontrollpersonen waren Besonderheiten im sonographischen Bild einzelner Nerven zu beobachten.
Mit der vorgelegten Untersuchung konnte zwar nicht gezeigt werden, dass die Nervensonographie einen Beitrag zur differentialdiagnostischen Abgrenzung Vaskulitischer Polyneuropathien leisten kann, der den Goldstandard invasiver Nervenbiopse entbehrlich machen könnte. Das war bei der histologischen Unterschiedlichkeit der beschädigten Nervenanatomie bei Vaskulitis aber auch nicht ernsthaft zu erwarten.
Die vorgelegte Arbeit zeigt aber auch, dass kranke periphere Nerven von gesunden Nerven im Ultraschall unterscheidbar sind, wenn man wie hier systematisch mit 28 Parametern an sieben Messpunkten untersucht. Dies allerdings dauert auch für einen Geübten 40 bis 60 Minuten, so dass die Polyneuropathiediagnostik oder gar Differentialdiagnostik mittels Ultraschall aktuell noch als Forschungsinstrument an großen Fallzahlen anzusehen ist.
Dabei wird es künftig für die Gruppenbildung der sonographisch Untersuchten neben ätiologischer und histologischer Gruppenbildung darauf ankommen, das Krankheitsbild besser zu definieren, d.h. Ausmaß von Demyelinisierung, Remyelinisierung und axonalem Untergang in geeignete Skalen zu fassen.
Auch die Magnetresonanztomographie stellt eine Option als diagnostischer Baustein bei Vaskulitischer Polyneuropathie dar. Dieses bildgebende Verfahren kann bereits zur Diagnostik von traumatischen Nervverletzungen, Kompressionensyndromen, Raumforderungen im Bereich der Nerven und Plexusneuritis eingesetzt werden.
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.
Der Einfluss von Autoantikörpern gegen Aquaporin 4 bei der Pathogenese der Neuromyelitis optica
(2014)
Neuromyelitis optica (NMO) ist eine schwerwiegende Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems, deren pathogene Ursache in Zusammenhang mit Autoantikörpern gegen Aquaporin 4 (AQP4) steht. In einem intrathekalen Passiv-Transfermodell der Ratte wurden die Auswirkungen von NMO-Immunglobulin (IgG) aus Plasmapheresematerial und rekombinanten Antikörpern gegen AQP4 sowie der Effekt von additiver Applikation von humanem Komplement untersucht. NMO-IgG, rekombinante Antikörper und modifizierte Antikörper ohne Fähigkeit zur Aktivierung der Komplementkaskade waren bei repetitiver Applikation in der Lage, auch ohne additives humanes Komplement NMO-ähnliche progrediente motorische Symptome zu induzieren. Durch Ko-Injektion von humanem Komplement konnte keine signifikante Exazerbation der Pathologie bewirkt werden.
MRT-Studien zeigten lokale Schrankenstörungen am Ort der höchsten Antikörperkonzentration. In histologischen Aufarbeitungen von Rückenmarksschnitten zeigten sich lokale Deposition an humanem IgG, ein dazu korrelierender Verlust an AQP4 sowie eine darüber hinausgehende Reduktion des Glutamattransporters EAAT2, während GFAP-reaktive Astrozyten tendenziell hypertroph und vermehrt waren. Auch bei additiver Applikation von humanem Komplement wiesen die Läsionsareale im Gegensatz zu histopathologischen Befunden bei NMO-Patienten und anderen Tiermodellen nur eine geringe Ablagerung von aktivem Komplement und wenig Infiltration durch ED1-positive Makrophagen auf. Da in einem Kontrollexperiment mit intrazerebraler intraparenchymaler Applikation von NMO-IgG die beschriebene additive Zytotoxizität von humanem Komplement reproduziert werden konnte, erscheint die Verwendbarkeit des intrathkalen Modells zur Evaluation der Wirkung von humanem Komplement bei Autoimmunerkrankungen mit intraspinalen Zielepitopen nicht geeignet.
Die Ergebnisse lassen sich als Komplement-unabhängige intrinsische Wirkungen von Antikörpern gegen AQP4 deuten, die in einer Reduktion der Oberflächenexpresseion von AQP4 und EAAT2 resultieren und zu einer progredienten Myelopathie führen. Neben der bekannten Antikörper-induzierten Komplement-abhängigen Zytotoxizität könnten diese Effekte einen bislang nicht beschriebenen zusätzlichen Pathomechanismus bei der NMO darstellen.
Dementia, or any form of degenerative cognitive decline, is one of the major problems in present, and even more will be in future medicine. With Alzheimer's disease (AD) being the most prevalent, Vascular Dementia is the second most entity of dementing processes in the elderly. As diagnostic criteria are still imprecise and in many cases do not embrace early stages of the disease, recent studies have proposed more detailed classifications of the newly created condition Vascular Cognitive Impairment (VCI). Of all conditions subsumed under this term, subcortical small-vessel alterations are the most common cause for cognitive decline. The diagnosis of dementia / cognitive impairment is presently often made in late stages of the disease, when therapeutical options are poor. Thus, early detection of changes of the subcortical small vessels is desirable, when there is still time to identify and aggressively treat risk factors and underlying conditions like diabetes, hyper- or hypotension, and hyperlipidemia. This study aimed to evaluate whether cTT correlates to cognitive dysfunction, i.e. if cTT is fit as an early diagnostic tool for VCI. The study cohort included 38 patients from the Neurological Clinic of the Würzburg University hospital admitted due to diagnoses other than dementia or stroke. As a result of this study it turned out that cTT is certainly capable of fulfilling the task to easily and effectively detect and evaluate possible microvascular lesions of the brain with respect to the actual clinical relevance for the patient. When compared to the other proposed diagnostic tools, neuropsychological testing and MRI, the advantages of cTT are obvious: its measurement is a low-cost and quick procedure which would spare both patients and examiners a long neuropsychological exam or complement it. cTT is safe to assess as the only possible risks derive from the use of the contrast agent, which are rare and easily manageable. It has also proven to be more accurate in showing the extent of cognitive impairment than MRI. Finally, it is widely available. The only prerequisite is an ultrasound machine capable of transcranial color-coded duplex sonography. No cost-intensive procedures like MRI are needed. So, with neuropsychological testing remaining the gold standard, cTT here proved to be a reliable alternative which is more time- and cost-effective than MRI.
Background
Human cerebral small vessel disease (CSVD) has distinct histopathologic and imaging findings in its advanced stages. In spontaneously hypertensive stroke-prone rats (SHRSP), a well-established animal model of CSVD, we recently demonstrated that cerebral microangiopathy is initiated by early microvascular dysfunction leading to the breakdown of the blood–brain barrier and an activated coagulatory state resulting in capillary and arteriolar erythrocyte accumulations (stases). In the present study, we investigated whether initial microvascular dysfunction and other stages of the pathologic CSVD cascade can be detected by serial magnetic resonance imaging (MRI).
Findings
Fourteen SHRSP and three control (Wistar) rats (aged 26–44 weeks) were investigated biweekly by 3.0 Tesla (3 T) MRI. After perfusion, brains were stained with hematoxylin–eosin and histology was correlated with MRI data. Three SHRSP developed terminal CSVD stages including cortical, hippocampal, and striatal infarcts and macrohemorrhages, which could be detected consistently by MRI. Corresponding histology showed small vessel thromboses and increased numbers of small perivascular bleeds in the infarcted areas. However, 3 T MRI failed to visualize intravascular erythrocyte accumulations, even in those brain regions with the highest densities of affected vessels and the largest vessels affected by stases, as well as failing to detect small perivascular bleeds.
Conclusion
Serial MRI at a field strength of 3 T failed to detect the initial microvascular dysfunction and subsequent small perivascular bleeds in SHRSP; only terminal stages of cerebral microangiopathy were reliably detected. Further investigations at higher magnetic field strengths (7 T) using blood- and flow-sensitive sequences are currently underway.
Background
Fabry disease is an inborn lysosomal storage disorder which is associated with small fiber neuropathy. We set out to investigate small fiber conduction in Fabry patients using pain-related evoked potentials (PREP).
Methods
In this case–control study we prospectively studied 76 consecutive Fabry patients for electrical small fiber conduction in correlation with small fiber function and morphology. Data were compared with healthy controls using non-parametric statistical tests. All patients underwent neurological examination and were investigated with pain and depression questionnaires. Small fiber function (quantitative sensory testing, QST), morphology (skin punch biopsy), and electrical conduction (PREP) were assessed and correlated. Patients were stratified for gender and disease severity as reflected by renal function.
Results
All Fabry patients (31 men, 45 women) had small fiber neuropathy. Men with Fabry disease showed impaired cold (p < 0.01) and warm perception (p < 0.05), while women did not differ from controls. Intraepidermal nerve fiber density (IENFD) was reduced at the lower leg (p < 0.001) and the back (p < 0.05) mainly of men with impaired renal function. When investigating A-delta fiber conduction with PREP, men but not women with Fabry disease had lower amplitudes upon stimulation at face (p < 0.01), hands (p < 0.05), and feet (p < 0.01) compared to controls. PREP amplitudes further decreased with advance in disease severity. PREP amplitudes and warm (p < 0.05) and cold detection thresholds (p < 0.01) at the feet correlated positively in male patients.
Conclusion
Small fiber conduction is impaired in men with Fabry disease and worsens with advanced disease severity. PREP are well-suited to measure A-delta fiber conduction.
Introduction
Sudden tetraparesis represents a neurological emergency and is most often caused by traumatic spinal cord injury, spinal epidural bleeding or brainstem ischemia and less frequently by medial disc herniation or spinal ischemia.
Case presentation
Here we report the rare case of an 82-year-old Caucasian man who developed severe tetraparesis four days after radical cystoprostatectomy. An emergency diagnostic study for spinal cord affection was normal. Brain magnetic resonance imaging revealed acute bilateral ischemic strokes in the precentral gyri as the underlying cause.
Conclusions
This case report underlines the need to also consider unusual causes of tetraparesis in an emergency situation apart from spinal cord or brain stem injury in order not to leave severe symptomatology unclear and possibly miss therapeutic options.
Polyneuropathien (PNP) sind mit einer Prävalenz von bis zu 7% in der Gesamtbevölkerung eine häufige Diagnose. Bei der Ursachenabklärung der PNP hat sich in den letzten Jahren die immunhistochemische Bestimmung der intraepidermalen Nervenfaserdichte aus Hautstanzbiopsien mittels einer axonalen PGP 9.5 Färbung etabliert. Ein zusätzlicher Marker ist GAP 43 - ein axonales Protein, das von regenerierenden Nervenfasern exprimiert wird. In der vorliegenden Studie wurde die Dichte von PGP 9.5 und GAP 43 positiven Nervenfasern anhand immunhistochemischer Färbungen an Hautstanzbiopsien vom lateralen Unter- und Oberschenkel von Patienten mit PNP unterschiedlicher Genese und von gesunden Kontrollen quantifiziert. Wir konnten zeigen, dass PNP Patienten im Vergleich zu Kontrollpersonen deutlich weniger GAP 43 positive Nervenfasern in ihren Hautbiopsien aufweisen. Obwohl sich bei PNP Patienten absolut gesehen weniger GAP 43 positive Nervenfasern fanden, war der Anteil an GAP 43 positiven Nervenfasern im Vergleich zur Kontrollgruppe höher, was mit einer gesteigerten regenerativen Aktivität in geschädigten Nervenfasern zusammenhängen kann. In der Patienten- und Kontrollgruppe fanden sich mehr PGP 9.5 und GAP 43 positive Nervenfasern am Ober- als am Unterschenkel, was durch die grundsätzlich dichtere Innervation proximaler Hautareale bedingt ist und bei PNP Patienten durch den im Krankheitsverslauf typischerweise längenabhängigen Verlust der peripheren kutanen Innervation noch verstärkt wird. Die Analyse potentieller Einflussfaktoren ergab beim Unterschenkel für beide Färbungen eine negative Korrelation zwischen Alter und Nervenfaserdichte. Das Geschlecht und das Vorhandensein von Schmerzen hatten keinen Einfluss auf die Hautinnervation. Die Arbeit zeigt anhand des bisher größten Patienten- und Kontrollkollektivs, dass regenerierende intraepidermale Nervenfasern mittels einer Immunhistochemie für GAP 43 zuverlässig quantifizierbar sind. Bei künftigen longitudinalen Studien kann nun ein möglicher Zusammenhang zwischen der Dichte GAP 43 positiver Nervenfasern und der Prognose bzw. dem Ansprechen auf Therapien untersucht werden.
Pathomechanismen von Antikörpern gegen Aquaporin 4 in einem Tiermodell für die Neuromyelitis Optica
(2013)
Die Neuromyelitis Optica (NMO) ist eine schwerwiegende autoimmune Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), die mit rezidivierenden Optikusneuritiden und Querschnittsmyelitiden einhergeht. Als serologischer Biomarker wurden Autoantikörper gegen Aquaporin 4 (anti-AQP4-AK) identifiziert. Mit Hilfe eines passiv-Transfer Rattenmodelles mit implantierten intrathekalen Kathetern wurden aufgereinigte IgG Fraktionen (NMO-IgG) von Plasmapheresematerial anti-AQP4-AK positiver NMO Patienten verabreicht. Zum Nachweis der Antigen-Spezifität wurden in weiteren Versuchsgruppen rekombinante IgG-AK gegen AQP4 appliziert. Die repetitive Injektion von NMO-IgG oder anti-AQP4-AK führte zu einer signifikanten klinischen Verschlechterung und einer reduzierten motorischen Leistungsfähigkeit der Versuchstiere im Vergleich zu Kontrollen. Mittels Magnetresonanztomographie konnten exemplarisch Kontrastmittel-aufnehmende Läsionsareale im Rückenmark der Versuchstiere im Bereich der Katheterspitze detektiert werden. Histopathologisch zeigte sich in diesen Läsionsbereichen eine Anreicherung von intrathekal applizierten humanen IgG, ein Verlust der Expression von AQP4 und des Glutamattransporters EAAT2. Im Gegensatz zu der bisher bekannten, Komplement-induzierten Gewebedestruktion bei NMO-Patienten mit entzündlichen Läsionen wurde hier keine Depletion von Astrozyten oder Komplementaktivierung beobachtet. Stattdessen kam es in den hier beschriebenen Arealen mit IgG-Ablagerung zu einer Hypertrophie und Vermehrung der GFAP-positiven Astrozyten. Die Ergebnisse lassen auf eine pathophysiologisch relevante, intrinsische und komplement-unabhängige Wirkung von anti-AQP4-AK schließen.
Previous studies by our group revealed that chronic low grade inflammation implicating phagocytosing macrophages is a highly relevant mechanism in the pathogenesis of Charcot-Marie-Tooth disease. The lack of CSF-1, the primary regulator of macrophage function and survival, led to a robust and persistent amelioration of the phenotype in two authentic mouse models of CMT. Moreover, a close contact between CSF-1 producing fibroblasts and endoneurial macrophages carrying CSF-1R has been confirmed in nerve biopsies of CMT patients, further supporting the clinical significance of this pathway. In the current study we treated 3 distinct mouse models of CMT1: the PMP22tg mice as a model for CMT1A, the P0+/- mice as a model for CMT1B and the Cx32def mice as a model for CMT1X, with a CSF-1R specific kinase (c-FMS) inhibitor (800-1200 mg PLX5622/ kg chow) according to different treatment regimes mimicking an ideal early onset treatment, a late onset treatment and the withdrawal of the drug. Using the above mentioned doses of PLX5622, we documented a dramatic decrease in macrophage numbers in the PNS of all 3 myelin mutants, except for the quadriceps nerve of Cx32def mice. Fibroblast numbers remained unchanged in treated animals. Surprisingly, in spite of the decrease in the number of detrimental macrophages we could not detect an unequivocal phenotypic improvement. CMAP amplitudes were reduced in both wild type and myelin mutant mice treated with CSF-1R inhibitor in comparison to untreated littermates. Corresponding to the electrophysiological findings, the axon number and the percentage of large diameter axons were reduced in the quadriceps nerve of treated P0+/- and Cx32def mice. By contrast we observed a higher number of fully myelinated axons, in parallel with a decrease in the percentage of demyelinated (and hypermyelinated in PMP22tg mice) fibers in the ventral roots of P0+/- mice treated with CSF-1R inhibitor from 3 months up to 6 months of age and PMP22tg animals treated from 9 months up to 15 months of age. Our results indicate that CSF-1R inhibitor has the potential to improve the demyelinating phenotype of at least two models of CMT1. Nevertheless, further studies are necessary (for example with lower doses of the inhibitor) to minimize or even eliminate the putative neurotoxic effect we observed with high dose treatment conditions.
Multiple sclerosis is an autoimmune disease of the central nervous system characterized by inflammatory, demyelinating lesions and neuronal death. Formerly regarded as a variant of MS, neuromyelitis optica (NMO)/Devic’s disease is now recognized as a distinct neurological disorder exhibiting characteristic inflammatory and demyelinated foci in the optic nerves and the spinal cord sparing the brain. With the introduction of the double-transgenic “Devic mouse” model featuring spontaneous, adjuvant-free incidence of autoimmune neuroinflammation due to the interaction of transgenic MOG-specific T and B cells, a promising tool was found for the analysis of factors triggering or preventing autoimmunity. The co-inhibitory molecule B7-H1 has been proposed to contribute to the maintenance of peripheral tolerance and to confine autoimmune inflammatory damage via the PD-1/B7-H1 pathway. Compared to Devic B7-H1+/+ mice, Devic B7-H1-/- mice developed clinical symptoms with a remarkably higher incidence rate and faster kinetics emphasized by deteriorated disease courses and a nearly quadrupled mortality rate. Remarkably enlarged immune-cell accumulation in the CNS of Devic B7-H1-/- mice, in particular of activated MOG-specific CD4+ T cells, correlated with the more severe clinical features. Our studies showed that the CNS not only was the major site of myelin-specific CD4+ T-cell activation but also that B7-H1 expression within the target organ significantly influenced T-cell activation and differentiation levels. Analysis at disease maximum revealed augmented accumulation of MOG-specific CD4+ T cells in the peripheral lymphoid organs of Devic B7-H1-/- mice partly due to increased T-cell proliferation rates. Transgenic MOG-specific B cells of Devic B7-H1-/- mice activated MOG-specific CD4+ T cells more efficiently than B cells of Devic B7-H1+/+ mice. This observation indicated a relevant immune-modulating role of B7-H1 on APCs (antigen-presenting cells) in this mouse model. We also assumed altered thymic selection processes to be involved in increased peripheral CD4+ T-cell numbers of Devic B7-H1-/- mice as we found more thymocytes expressing the transgenic MOG-specific T-cell receptor (TCR). Moreover, preliminary in vitro experiments hinted on an enhanced survival of TCRMOG-transgenic CD4+ T cells of Devic B7-H1-/- mice; a mechanism that might as well have led to higher peripheral T-cell accumulation. Elevated levels of MOG-specific CD4+ T cells in the periphery of Devic B7-H1-/- mice could have entailed the higher quantities in the CNS. However, mechanisms such as CNS-specific proliferation and/or apoptosis/survival could also have contributed. This should be addressed in future investigations. Judging from in vitro migration assays and adoptive transfer experiments on RAG-1-/- recipient mice, migratory behavior of MOG-specific CD4+ T cells of Devic B7-H1+/+ and Devic B7-H1-/- mice seemed not to differ. However, enhanced expression of the transmigration-relevant integrin LFA-1 on CD4+ T cells in young symptom-free Devic B7-H1-/- mice might hint on temporally differently pronounced transmigration capacities during the disease course. Moreover, we attributed the earlier conversion of CD4+ T cells into Th1 effector cells in Devic B7-H1-/- mice during the initiation phase to the lack of co-inhibitory signaling via PD-1/B7-H1 possibly leading to an accelerated disease onset. Full blown autoimmune inflammatory processes could have masked these slight effects of B7-H1 in the clinical phase. Accordingly, at peak of the disease, Th1 and Th17 effector functions of peripheral CD4+ T cells were comparable in both mouse groups. Moreover, judging from titers of MOG-specific IgG1 and IgM antibodies, alterations in humoral immunity were not detected. Therefore, clinical differences could not be explained by altered T-cell or B-cell effector functions at disease maximum. B7-H1 rather seemed to take inhibitory effect in the periphery during the initiation phase only and consistently within the target organ by parenchymal expression. Our observations indicate that B7-H1 plays a relevant role in the regulation of T-cell responses in this mouse model for spontaneous CNS autoimmunity. By exerting immune-modulating effects in the preclinical as well as the clinical phase of the disease, B7-H1 contributed to the confinement of the immunopathological tissue damage in Devic B7-H1+/+ mice mirrored by later disease onsets and lower disease scores. As a model for spontaneous autoimmunity featuring a close to 100 % incidence rate, the Devic B7-H1-/- mouse may prove instrumental in clarifying disease-triggering and -limiting factors and in validating novel therapeutic approaches in the field of autoimmune neuroinflammation, in particular the human Devic’s disease.
The neuronal ceroid lipofuscinoses (NCLs) are fatal neurodegenerative disorders in which the visual system is affected in early stages of disease. A typical accompanying feature is neuroinflammation, the pathogenic impact of which is presently unknown. In this study, the role of inflammatory cells in the pathogenesis was investigated in Palmitoyl-protein thioesterase 1-deficient (Ppt1-/-) and Ceroidlipofuscinosis, neuronal 3-deficient (Cln3-/-) mice, models of the infantile and juvenile forms of NCL, respectively. Focusing predominantly on the visual system, an infiltration of CD8+ cytotoxic Tlymphocytes and an activation of microglia/macrophage-like cells was observed early in disease. To analyze the pathogenic impact of lymphocytes, Ppt1-/- mice were crossbred with mice lacking lymphocytes (Rag1-/-) and axonal transport, perturbation and neuronal survival were scored. Lack of lymphocytes led to a significant amelioration of neuronal disease and reconstitution experiments revealed a crucial role of CD8+ cytotoxic T-lymphocytes. Lack of lymphocytes also caused an improved clinical phenotype and extended longevity. To investigate the impact of microglia/macrophage-like cells, Ppt1-/- and Cln3-/- mice were crossbred with mice lacking sialoadhesin (Sn-/-), a monocyte lineage-restricted cell adhesion molecule important for interactions between macrophage-like cells and lymphocytes. Similar to the lack of lymphocytes, absence of sialoadhesin significantly ameliorated the disease in Ppt1-/- and Cln3-/- mice. Taken together, both T-lymphocytes and microglia/macrophage-like cells were identified as pathogenic mediators in two distinct forms of fatal inherited neurodegenerative storage disorders. These studies expand the concept of secondary inflammation as a common pathomechanistic feature in some neurological diseases and provide novel insights that may be crucial for developing treatment strategies for different forms of NCL.
From November 2nd - 4th 2012, the 4th NEUROWIND e.V. meeting was held in Motzen, Brandenburg, Germany. Again more than 60 participants, predominantly at the doctoral student or postdoc level, gathered to share their latest findings in the fields of neurovascular research, neurodegeneration and neuroinflammation. Like in the previous years, the symposium provided an excellent platform for scientific exchange and the presentation of innovative projects in the stimulating surroundings of the Brandenburg outback. This year’s keynote lecture on the pathophysiological relevance of neuronal networks was given by Christian Gerloff, Head of the Department of Neurology at the University Clinic of Hamburg-Eppendorf. Another highlight of the meeting was the awarding of the NEUROWIND e.V. prize for young scientists working in the field of experimental neurology. The award is donated by the Merck Serono GmbH, Darmstadt, Germany and is endowed with 20.000 Euro. This year the jury decided unanimously to adjudge the award to Michael Gliem from the Department of Neurology at the University Clinic of Düsseldorf (group of Sebastian Jander), Germany, for his outstanding work on different macrophage subsets in the pathogenesis of ischemic stroke published in the Annals of Neurology in 2012.
Background: Compensation of brain injury in multiple sclerosis (MS) may in part work through mechanisms involving neuronal plasticity on local and interregional scales. Mechanisms limiting excessive neuronal activity may have special significance for retention and (re-)acquisition of lost motor skills in brain injury. However, previous neurophysiological studies of plasticity in MS have investigated only excitability enhancing plasticity and results from neuroimaging are ambiguous. Thus, the aim of this study was to probe long-term depression-like central motor plasticity utilizing continuous theta-burst stimulation (cTBS), a non-invasive brain stimulation protocol. Because cTBS also may trigger behavioral effects through local interference with neuronal circuits, this approach also permitted investigating the functional role of the primary motor cortex (M1) in force control in patients with MS. Methods: We used cTBS and force recordings to examine long-term depression-like central motor plasticity and behavioral consequences of a M1 lesion in 14 patients with stable mild-to-moderate MS (median EDSS 1.5, range 0 to 3.5) and 14 age-matched healthy controls. cTBS consisted of bursts (50 Hz) of three subthreshold biphasic magnetic stimuli repeated at 5 Hz for 40 s over the hand area of the left M1. Corticospinal excitability was probed via motor-evoked potentials (MEP) in the abductor pollicis brevis muscle over M1 before and after cTBS. Force production performance was assessed in an isometric right thumb abduction task by recording the number of hits into a predefined force window. Results: cTBS reduced MEP amplitudes in the contralateral abductor pollicis brevis muscle to a comparable extent in control subjects (69 ± 22% of baseline amplitude, p < 0.001) and in MS patients (69 ± 18%, p < 0.001). In contrast, postcTBS force production performance was only impaired in controls (2.2 ± 2.8, p = 0.011), but not in MS patients (2.0 ± 4.4, p = 0.108). The decline in force production performance following cTBS correlated with corticomuscular latencies (CML) in MS patients, but did not correlate with MEP amplitude reduction in patients or controls. Conclusions: Long-term depression-like plasticity remains largely intact in mild-to-moderate MS. Increasing brain injury may render the neuronal networks less responsive toward lesion-induction by cTBS.
Background If detected in time, delayed cerebral vasospasm after aneurysmal subarachnoid hemorrhage (SAH) may be treated by balloon angioplasty or chemical vasospasmolysis in order to enhance cerebral blood flow (CBF) and protect the brain from ischemic damage. This study was conceived to compare the diagnostic accuracy of detailed neurological examination, Transcranial Doppler Sonography (TCD), and Perfusion-CT (PCT) to detect angiographic vasospasm. Methods The sensitivity, specificity, positive and negative predictive values of delayed ischemic neurological deterioration (DIND), pathological findings on PCT- maps, and accelerations of the mean flow velocity (MVF) were calculated. Results The accuracy of DIND to predict angiographic vasospasm was 0.88. An acceleration of MFV in TCD (>140 cm/s) had an accuracy of 0.64, positive PCT-findings of 0.69 with a higher sensitivity, and negative predictive value than TCD. Interpretation Neurological assessment at close intervals is the most sensitive and specific parameter for cerebral vasospasm. PCT has a higher accuracy, sensitivity and negative predictive value than TCD. If detailed neurological evaluation is possible, it should be the leading parameter in the management and treatment decisions. If patients are not amenable to detailed neurological examination, PCT at regular intervals is a helpful tool to diagnose secondary vasospasm after aneurysmal SAH.
Delayed cerebral vasospasm following subarachnoid hemorrhage (SAH) is a serious medical complication, characterized by constriction of cerebral arteries leading to varying degrees of cerebral ischemia. Numerous clinical and experimental studies have been performed in the last decades; however, the pathophysiologic mechanism of cerebral vasospasm after SAH still remains unclear. Among a variety of experimental SAH models, the double hemorrhage rat model involving direct injection of autologous arterial blood into the cisterna magna has been used most frequently for the study of delayed cerebral vasospasm following SAH in last years. Despite the simplicity of the technique, the second blood injection into the cisterna magna may result in brainstem injury leading to high mortality. Therefore, a modified double hemorrhage model of cisterna magna has been developed in rat recently. We describe here step by step the surgical technique to induce double SAH and compare the degree of vasospasm with other cisterna magna rat models using histological assessment of the diameter and cross-sectional area of the basilar artery
Background: Severe brain edema is observed in a number of patients suffering from subarachnoid hemorrhage (SAH). Little is known about its pathogenesis and time-course in the first hours after SAH. This study was performed to investigate the development of brain edema and its correlation with brain perfusion after experimental SAH. Methods: Male Sprague–Dawley rats, randomly assigned to one of six groups (n = 8), were subjected to SAH using the endovascular filament model or underwent a sham operation. Animals were sacrificed 15, 30, 60, 180 or 360 minutes after SAH. Intracranial pressure (ICP), mean arterial blood pressure (MABP), cerebral perfusion pressure (CPP) and bilateral local cerebral blood flow (LCBF) were continuously measured. Brain water content (BWC) was determined by the wet/dry-weight method. Results: After SAH, CPP and LCBF rapidly decreased. The decline of LCBF markedly exceeded the decline of CPP and persisted until the end of the observation period. BWC continuously increased. A significant correlation was observed between the BWC and the extent of the perfusion deficit in animals sacrificed after 180 and 360 minutes. Conclusions: The significant correlation with the perfusion deficit after SAH suggests that the development of brain edema is related to the extent of ischemia and acute vasoconstriction in the first hours after SAH.
From November 4th- 6th 2011, the 3rd NEUROWIND e.V. meeting was held in Motzen, Brandenburg, Germany. Like in the previous years, the meeting provided an excellent platform for scientific exchange and the presentation of innovative projects for young colleagues in the fields of neurovascular research, neuroinflammation and neurodegeneration. As kick-off to the scientific sessions, Reinhard Hohlfeld, Head of the Institute for Clinical Neuroimmunology in Munich, gave an illustrious overview on the many fascinations of neuroimmunologic research. A particular highlight on the second day of the meeting was the award of the 1’st NEUROWIND e.V. prize for young academics in the field of experimental neurology. This award is posted for young colleagues under the age of 35 with a significant achievement in the field of neurovascular research, neuroinflammation or neurodegeneration and comprises an amount of 20.000 Euro, founded by Merck Serono GmbH, Darmstadt. Germany. The first prize was awarded to Ivana Nikic from Martin Kerschensteiner’s group in Munich for her brilliant work on a reversible form of axon damage in experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis, published in Nature Medicine in 2011. This first prize award ceremony was a great incentive for the next call for proposals now upcoming in 2012.
Traumatic brain injury (TBI) is a result of an outside force causing immediate mechanical disruption of brain tissue and delayed pathogenic events. In order to examine injury processes associated with TBI, a number of rodent models to induce brain trauma have been described. However, none of these models covers the entire spectrum of events that might occur in TBI. Here we provide a thorough methodological description of a straightforward closed head weight drop mouse model to assess brain injuries close to the clinical conditions of human TBI.
Background: Anxiety is a heterogeneous behavioral domain playing a role in a variety of neuropsychiatric diseases. While anxiety is the cardinal symptom in disorders such as panic disorder, co-morbid anxious behavior can occur in a variety of diseases. Stiff person syndrome (SPS) is a CNS disorder characterized by increased muscle tone and prominent agoraphobia and anxiety. Most patients have high-titer antibodies against glutamate decarboxylase (GAD) 65. The pathogenic role of these autoantibodies is unclear. Methodology/Principal Findings: We re-investigated a 53 year old woman with SPS and profound anxiety for GABA-A receptor binding in the amygdala with (11)C-flumazenil PET scan and studied the potential pathogenic role of purified IgG from her plasma filtrates containing high-titer antibodies against GAD 65. We passively transferred the IgG fraction intrathecally into rats and analyzed the effects using behavioral and in vivo electrophysiological methods. In cell culture, we measured the effect of patient IgG on GABA release from hippocampal neurons. Repetitive intrathecal application of purified patient IgG in rats resulted in an anxious phenotype resembling the core symptoms of the patient. Patient IgG selectively bound to rat amygdala, hippocampus, and frontal cortical areas. In cultured rat hippocampal neurons, patient IgG inhibited GABA release. In line with these experimental results, the GABA-A receptor binding potential was reduced in the patient’s amygdala/hippocampus complex. No motor abnormalities were found in recipient rats. Conclusion/Significance: The observations in rats after passive transfer lead us to propose that anxiety-like behavior can be induced in rats by passive transfer of IgG from a SPS patient positive for anti-GAD 65 antibodies. Anxiety, in this case, thus may be an antibody-mediated phenomenon with consecutive disturbance of GABAergic signaling in the amygdala region.
Background: The role of serotonin (5-hydroxytrptamine, 5-HT) in the modulation of pain has been widely studied. Previous work led to the hypothesis that 5-hydroxyindolacetic acid (5-HIAA), a main metabolite of serotonin, might by itself influence pain thresholds. Results: In the present study, we investigated the role of 5-HIAA in inflammatory pain induced by intraplantar injection of complete Freund’s adjuvant (CFA) into the hind paw of mice. Wild-type mice were compared to mice deficient of the 5-HT transporter (5-HTT-/- mice) using behavioral tests for hyperalgesia and high-performance liquid chromatography (HPLC) to determine tissue levels of 5-HIAA. Wild-type mice reproducibly developed thermal hyperalgesia and paw edema for 5 days after CFA injection. 5-HTT-/- mice treated with CFA had reduced thermal hyperalgesia on day 1 after CFA injection and normal responses to heat hereafter. The 5-HIAA levels in spinal cord and sciatic nerve as measured with HPLC were lower in 5-HTT-/- mice than in wild-type mice after CFA injection. Pretreatment of wild-type mice with intraperitoneal injection of para-chlorophenylalanine (p-CPA), a serotonin synthesis inhibitor, resulted in depletion of the 5-HIAA content in spinal cord and sciatic nerve and decrease in thermal hyperalgesia in CFA injected mice. The application of exogenous 5-HIAA resulted in potentiation of thermal hyperalgesia induced by CFA in 5-HTT-/- mice and in wild-type mice pretreated with p- CPA, but not in wild-type mice without p-CPA pretreatment. Further, methysergide, a broad-spectrum serotonin receptor antagonist, had no effect on 5-HIAA-induced potentiation of thermal hyperalgesia in CFA-treated wildtype mice. Conclusion: Taken together, the present results suggest that 5-HIAA plays an important role in modulating peripheral thermal hyperalgesia in CFA induced inflammation, probably via a non-serotonin receptor mechanism.
Die Multiple Sklerose ist eine chronische neurologische Erkrankung, welche in der industrialisierten Welt einen der häufigsten Gründe für eine bleibende Behinderung bei jungen Erwachsenen darstellt. Obwohl die ZNS-Schädigung, charakterisiert durch Demyelinisierung und axonale Schädigung im Rahmen entzündlicher Vorgänge, durch verschiedene Reparaturmechanismen reduziert wird, akkumuliert die Läsionslast im zentralen Nervensystem mit der Zeit. T2-gewichtete MRT-Studien zeigen, dass die dargestellten Pathologien nur mäßig mit den motorischen Defiziten korrelieren. Diese Diskrepanz wird unter anderem auf Vorgänge der Neuroplastizität zurückgeführt, als deren Basismechanismen Langzeitpotenzierung (LTP) und -depression (LTD) gelten. In verschiedenen fMRT-Studien haben sich Hinweise ergeben, dass diese adaptiven Veränderungen zur Reorganisation kortikaler Repräsentationmuster führen können, so dass bei MS-Patienten eine ausgedehntere Aktivierung ipsilateraler sensomotorischer Areale bei motorischen Aufgaben zu beobachten ist. Die transkranielle Magnetstimulation (TMS) bietet die Möglichkeit, mittels virtueller Läsionstechniken eine direkte Aussage über die kausale Beziehung zwischen Struktur und Funktion zu liefern. Die funktionelle Rolle ipsilateraler Motorareale wurde an 26 MS-Patienten, in Relation zu ihrer motorischen Beeinträchtigung und ZNS-Schädigung, und an nach Alter, Geschlecht und Händigkeit zugeordneten Kontrollprobanden, untersucht. Die motorische Leistungsfähigkeit wurde durch verschiedene Tests zur Handfunktion erhoben. Die ZNS-Schädigung wurde mittels MR-Spektroskopie als NAA/Cr Quotient sowie durch die CML erhoben. Die Aufgabe zur einfachen Reaktionszeit (SRT) bestand aus einer isometrischen Abduktionsbewegung des rechten Daumens gegen einen Kraftaufnehmer auf ein akustisches Go-Signal. Mit TMS-Einzelreizen wurde mit Hilfe einer Neuronavigation eine reversible virtuelle Läsion über bestimmten Gehirnarealen, kontralateraler M1, ipsilateraler M1 und ipsilateraler PMd, erzeugt. Es wurde eine Kontrollstimulation über MO durchgeführt. Die TMS-Einzelreize wurden 100ms nach dem Go-Signal appliziert. Als SRT wurde der Zeitraum zwischen dem Go-Signal und EMG-Beginn im APB definiert. Die signifikanten SRT-Verlängerungen bei TMS über dem ipsilateralen M1 und dem ipsilateralen PMd zeigen, dass diese Regionen eine Rolle bei der motorischen Funktion bei MS spielen. Die fehlenden Korrelationen zwischen motorischen Funktionstest und NAA/Cr-Verhältnis sowie die inverse Korrelation zur kortikomuskulären Latenz sind durch strukturell von der krankheitsbedingten Pathologie betroffenen kompensierenden Gehirnregionen erklärbar. Bei dem Theta Burst Experiments (TBS) wurde ein virtueller Läsionseffekt durch eine repetitive TMS-Intervention über dem ipsilateralen M1 induziert. Die Ergebnisse zeigen ähnliche Veränderungen der Exzitabilität bei MS-Patienten und gesunden Kontrollprobanden, was schließen lässt, dass die LTD bei mild bis moderat betroffenen MS-Patienten weitestgehend unbeeinträchtigt ist. MS-Patienten zeigen im Vergleich zu den Kontrollen eine ähnliche Minderung der Verhaltensleistung, Trefferquote in ein Kraftfenster, der MS-Patienten im Kontrollvergleich. Die Ergebnisse zeigen, dass ipsilaterale motorische Areale in der Lage sind den primär motorischen Kortex soweit zu kompensieren, jedoch die Fähigkeit zur Kompensation in fortgeschrittenen Krankheitsstadien eingeschränkt ist. Abschließend kann man zusammenfassen, dass die funktionelle Rekrutierung von ipsilateralen Motorarealen eine adaptive Antwort auf chronische Gehirnschädigung bei MS-Patienten sein kann, allerdings mit Einschränkung der Kapazität in fortgeschrittenen Krankheitsstadien. Nachdem die synaptische Plastizität weitestgehend intakt scheint, sollte man besonders Mechanismen der späten Phase der Plastizität fördern, welche auf eine langfristige kortikale Plastizität abzielen. Weitere Studien in diesem Forschungszweig könnten einen Beitrag zur Entwicklung therapeutischer Konzepte der Neurorehabilitation bei Multipler Sklerose leisten.
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.
Nitric oxide synthase modulates CFA-induced thermal hyperalgesia through cytokine regulation in mice
(2010)
Background: Although it has been largely demonstrated that nitric oxide synthase (NOS), a key enzyme for nitric oxide (NO) production, modulates inflammatory pain, the molecular mechanisms underlying these effects remain to be clarified. Here we asked whether cytokines, which have well-described roles in inflammatory pain, are downstream targets of NO in inflammatory pain and which of the isoforms of NOS are involved in this process. Results: Intraperitoneal (i.p.) pretreatment with 7-nitroindazole sodium salt (7-NINA, a selective neuronal NOS inhibitor), aminoguanidine hydrochloride (AG, a selective inducible NOS inhibitor), L-N(G)-nitroarginine methyl ester (L-NAME, a non-selective NOS inhibitor), but not L-N(5)-(1-iminoethyl)-ornithine (L-NIO, a selective endothelial NOS inhibitor), significantly attenuated thermal hyperalgesia induced by intraplantar (i.pl.) injection of complete Freund’s adjuvant (CFA). Real-time reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) revealed a significant increase of nNOS, iNOS, and eNOS gene expression, as well as tumor necrosis factor-alpha (TNF), interleukin-1 beta (IL-1b), and interleukin-10 (IL-10) gene expression in plantar skin, following CFA. Pretreatment with the NOS inhibitors prevented the CFA-induced increase of the pro-inflammatory cytokines TNF and IL-1b. The increase of the antiinflammatory cytokine IL-10 was augmented in mice pretreated with 7-NINA or L-NAME, but reduced in mice receiving AG or L-NIO. NNOS-, iNOS- or eNOS-knockout (KO) mice had lower gene expression of TNF, IL-1b, and IL-10 following CFA, overall corroborating the inhibitor data. Conclusion: These findings lead us to propose that inhibition of NOS modulates inflammatory thermal hyperalgesia by regulating cytokine expression.
Interleukin-18 (IL-18) is a proinflammatory cytokine of the interleukin-1 family which is upregulated after cerebral ischemia. The functional role of IL-18 in cerebral ischemia is unknown. In the present study, we compared infarct size in IL-18 knock-out and wild-type mice 24 hours and 48 hours after 1-hour transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO). Moreover, the functional outcome was evaluated in a modified Bederson score, foot fault test and grip test. There were no significant differences in infarct size or functional outcome tests between wild-type and IL-18 knock-out mice. These data indicate that the early inflammatory response to cerebral ischemia does not involve IL-18, in contrast to other interleukin-1 family members such as interleukin-1.
BACKGROUND: Recently, members of the two-pore domain potassium channel family (K2P channels) could be shown to be involved in mechanisms contributing to neuronal damage after cerebral ischemia. K2P3.1-/- animals showed larger infarct volumes and a worse functional outcome following experimentally induced ischemic stroke. Here, we question the role of the closely related K2P channel K2P9.1. METHODS: We combine electrophysiological recordings in brain-slice preparations of wildtype and K2P9.1-/- mice with an in vivo model of cerebral ischemia (transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO)) to depict a functional impact of K2P9.1 in stroke formation. RESULTS: Patch-clamp recordings reveal that currents mediated through K2P9.1 can be obtained in slice preparations of the dorsal lateral geniculate nucleus (dLGN) as a model of central nervous relay neurons. Current characteristics are indicative of K2P9.1 as they display an increase upon removal of extracellular divalent cations, an outward rectification and a reversal potential close to the potassium equilibrium potential. Lowering extracellular pH values from 7.35 to 6.0 showed comparable current reductions in neurons from wildtype and K2P9.1-/- mice (68.31 +/- 9.80% and 69.92 +/- 11.65%, respectively). These results could be translated in an in vivo model of cerebral ischemia where infarct volumes and functional outcomes showed a none significant tendency towards smaller infarct volumes in K2P9.1-/- animals compared to wildtype mice 24 hours after 60 min of tMCAO induction (60.50 +/- 17.31 mm3 and 47.10 +/- 19.26 mm3, respectively). CONCLUSIONS: Together with findings from earlier studies on K2P2.1-/- and K2P3.1-/- mice, the results of the present study on K2P9.1-/- mice indicate a differential contribution of K2P channel subtypes to the diverse and complex in vivo effects in rodent models of cerebral ischemia.
Transgenic mice bred on C57Bl/6 or Sv/129 genetic background are frequently used in stroke research. It is well established that variations in cerebrovascular anatomy and hemodynamics can influence stroke outcome in different inbred mouse lines. We compared stroke development in C57Bl/6 and Sv/129 mice in the widely used model of transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO) by multimodal ultra-high field magnetic resonance imaging (MRI). C57Bl/6 and Sv/129 mice underwent 60 min of tMCAO and were analyzed by MRI 2 h and 24 h afterwards. Structural and functional images were registered to a standard anatomical template. Probability maps of infarction were rendered by automated segmentation from quantitative T2-relaxometric images. Whole-brain segmentation of infarction was accomplished manually on high-resolution T2-weighted (T2-w) RARE images. Cerebral perfusion (cerebral blood flow, CBF) was measured quantitatively by modified continuous arterial-spin-labeling (CASL) and apparent diffusion coefficients (ADC) by spin-echo diffusion-weighted imaging (DWI). Probabilities of cortical (95.1% ± 3.1 vs. 92.1% ± 2.5; p > 0.05) and subcortical (100% vs. 100%; p > 0.05) infarctions at 24 h were similar in both groups as was the whole-brain volumetric extent of cerebral infarction. In addition, CBF and ADC values did not differ between C57Bl/6 and Sv/129 mice at any time point or region of interest. The C57Bl/6 and Sv/129 genetic background is no major confounding factor of infarct size and cerebral perfusion in the tMCAO model.
Background: Anticoagulation is an important means to prevent from acute ischemic stroke but is associated with a significant risk of severe hemorrhages. Previous studies have shown that blood coagulation factor XII (FXII)- deficient mice are protected from pathological thrombus formation during cerebral ischemia without bearing an increased bleeding tendency. Hence, pharmacological blockade of FXII might be a promising and safe approach to prevent acute ischemic stroke and possibly other thromboembolic disorders but pharmacological inhibitors selective over FXII are still lacking. In the present study we investigated the efficacy of COU254, a novel nonpeptidic 3-carboxamide-coumarin that selectively blocks FXII activity, on stroke development and post stroke functional outcome in mice. Methods: C57Bl/6 mice were treated with COU254 (40 mg/kg i.p.) or vehicle and subjected to 60 min transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO) using the intraluminal filament method. After 24 h infarct volumes were determined from 2,3,5-Triphenyltetrazoliumchloride(TTC)-stained brain sections and functional scores were assessed. Hematoxylin and eosin (H&E) staining was used to estimate the extent of neuronal cell damage. Thrombus formation within the infarcted brain areas was analyzed by immunoblot. Results: Infarct volumes and functional outcomes on day 1 after tMCAO did not significantly differ between COU254 pre-treated mice or untreated controls (p > 0.05). Histology revealed extensive ischemic neuronal damage regularly including the cortex and the basal ganglia in both groups. COU254 treatment did not prevent intracerebral fibrin(ogen) formation. Conclusions: COU254 at the given concentration of 40 mg/kg failed to demonstrate efficacy in acute ischemic stroke in this preliminary study. Further preclinical evaluation of 3-carboxamide-coumarins is needed before the antithrombotic potential of this novel class of FXII inhibitors can be finally judged.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss eines Mangels des antiinflammatorischen Zytokins Interleukin(IL)-4 am Tiermodell einer experimentellen Mononeuropathie (engl. chronic constriction injury, CCI) untersucht. Zentrale Fragestellung der Studie war, ob IL-4 knockout(ko)-Mäuse im Vergleich zu Wildtyp(wt)-Mäusen mit einem gesteigerten Schmerzverhalten sowie einer veränderten Zytokinantwort und Opioidrezeptor-Expression nach Anwendung eines neuropathischen Schmerzmodells (CCI) reagieren. In mehreren Tierstudien war zuvor eine antiinflammatorische und analgetische Wirkung von IL-4 belegt worden (Vale et al. 2003; Hao et al. 2006) und in klinischen Studien war ein verminderter IL-4-Spiegel bei Patienten mit verschiedenen neuropathischen Schmerzsyndromen mit einer gesteigerten Schmerzempfindung verbunden (Üçeyler et al. 2006; Üçeyler et al. 2007b). Da IL-4 die Transkription von Opioidrezeptoren induziert (Kraus et al. 2001; Börner et al. 2004), wurde zudem das Ansprechen von IL-4 ko-Mäusen auf Morphin und die Genexpression zentraler Opioidrezeptoren untersucht. Vor sowie bis vier Wochen nach Durchführung einer CCI wurden IL-4 ko- sowie wt- Mäuse hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit auf mechanische und thermische Stimuli analysiert. Zum Zeitpunkt des Schmerzmaximums nach CCI (Tag 7 bis 9) wurde zudem das Ansprechen beider Genotypen auf Morphin untersucht. Die Genexpression pro- (IL-1 beta, TNF) und antiinflammatorischer Zytokine (IL-10, IL- 13) im peripheren (N. ischiadicus) und zentralen Nervensystem (lumbales und zervikales Rückenmark, Pons, Thalamus, Hypothalamus, Striatum, Kortex) sowie die Genexpression zentraler Opioidrezeptoren (mü-OR, delta-OR, kappa-OR) wurde bei beiden Genotypen vor sowie vier Wochen nach CCI mittels Real-Time-PCR bestimmt. Unbehandelte IL-4 ko-Mäuse zeigten im Vergleich zu wt-Mäusen bereits vor Durchführung einer CCI eine mechanische Überempfindlichkeit (Hyperalgesie), was möglicherweise durch die bei IL-4-Mangel fehlenden zentralen inhibitorischen Mechanismen bedingt ist. Nach CCI entwickelten sowohl IL-4 ko- als auch wt-Mäuse eine gleich ausgeprägte mechanische und thermische Hyperalgesie. Die Tatsache, dass die mechanische Überempfindlichkeit bei IL-4 ko-Mäusen nach Nervenläsion nicht überproportional steigt, kann Ausdruck der nachgewiesenen kompensatorisch stärker ausgeprägten Genexpression proinflammatorischer, aber insbesondere auch antiinflammatorischer Zytokine in diesem Genotyp sein. Nur bei IL-4 ko-Mäusen war vier Wochen nach CCI die Genexpression der anti- inflammatorischen Zytokine im N. ischiadicus (IL-10) und ipsilateralen Rückenmark (IL-10, IL-13), jedoch auch die der proinflammatorischen Zytokine im ipsilateralen Rückenmark (TNF, IL-1 beta) erhöht. Nach CCI sprachen IL-4 ko-Mäuse schneller auf Morphingabe an als wt-Mäuse, was durch den bei diesem Genotyp stärker ausgeprägten Anstieg der Genexpression der Opioidrezeptortypen delta-OR und kappa-OR im kontralateralen Thalamus bedingt sein kann.
Background: To perform a systematic review and meta-analysis on cytokine levels in patients with fibromyalgia syndrome (FMS). Methods: Through December 2010 we systematically reviewed the databases PubMed, MEDLINE, and PsycINFO and screened the reference lists of 22 review articles for suitable original articles. Original articles investigating cytokines in patients with FMS were included. Data were extracted by two independent authors. Differences of the cytokine levels of FMS patients and controls were summarized by standardized mean differences (SMD) using a random effects model. Study quality was assessed applying methodological scores: modified Center of Evidence Based Medicine, Newcastle-Ottawa-Scale, and Würzburg Methodological Quality Score. Results: Twenty-five articles were included investigating 1255 FMS patients and 800 healthy controls. Data of 13/25 studies entered meta-analysis. The overall methodological quality of studies was low. The results of the majority of studies were not comparable because methods, investigated material, and investigated target cytokines differed. Systematic review of the selected 25 articles revealed that FMS patients had higher serum levels of interleukin (IL)-1 receptor antagonist, IL-6, and IL-8, and higher plasma levels of IL-8. Meta-analysis of eligible studies showed that FMS patients had higher plasma IL-6 levels compared to controls (SMD = -0.34 [-0.64, -0.03] 95% CI; p = 0.03). The majority of investigated cytokines were not different between patients and controls. Conclusions: The pathophysiological role of cytokines in FMS is still unclear. Studies of higher quality and with higher numbers of subjects are needed.
Background: “Negative affect” is one of the major migraine triggers. The aim of the study was to assess attentional biases for negative affective stimuli that might be related to migraine triggers in migraine patients with either few or frequent migraine and healthy controls. Methods: Thirty-three subjects with frequent migraine (FM) or with less frequent episodic migraine, and 20 healthy controls conducted two emotional Stroop tasks in the interictal period. In task 1, general affective words and in task 2, pictures of affective faces (angry, neutral, happy) were used. For each task we calculated two emotional Stroop indices. Groups were compared using one-way ANOVAs. Results: The expected attentional bias in migraine patients was not found. However, in task 2 the controls showed a significant attentional bias to negative faces, whereas the FM group showed indices near zero. Thus, the FM group responded faster to negative than to positive stimuli. The difference between the groups was statistically significant. Conclusions: The findings in the FM group may reflect a learned avoidance mechanism away from affective migraine triggers.
Zusammenfassend konnte durch unsere Daten die eingangs gestellte Hypothese, dass Patienten mit SFN eine lokal und systemisch erhöhte Expression pro-inflammatorischer und algetischer Zytokine haben, auf lokaler Ebene bei der Untergruppe mit LD-SFN bestätigt werden. Bei der Untergruppe mit NLD-SFN waren keine Unterschiede bei den Zytokinexpressionen zwischen proximalen und distalen Hautbiopsien im Vergleich zu Kontrollprobanden nachweisbar. Zudem zeigten sich deutliche Unterschiede bei den Quotienten der IENFD zwischen beiden Untergruppen. Dies legt die Vermutung nahe, dass die Unterteilung in LD-SFN und NLD-SFN klinisch bedeutsam und ein möglicher Grundstein für das Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen der SFN sein könnte. Hieraus könnten sich Fortschritte in der Diagnostik ergeben und gezielte symptomatische und vielleicht sogar kausale Therapien auf lokaler Ebene bei der SFN entwickeln.
Die schubförmige Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch-entzündliche, demyelinisierende, multifokale Erkrankung des Zentralnervensystems (ZNS). Autoreaktive immunologische Prozesse, insbesondere der T-Zell vermittelten Immunität, leisten einen entscheidenden Beitrag zur Pathogenese der schubförmigen MS. Ein wesentlicher Schritt in immunpathogenetischen Modellen ist die transendotheliale Migration von Immunzellen über die Blut-Hirn-Schranke. Die Interaktion des very late antigen 4 (VLA-4) mit dem vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM-1) und mit Fibronectin leistet einen wesentlichen Beitrag zur Extravasation von T Zellen in das ZNS. Auf dieser Schlüsselfunktion des VLA-4 gründet die Therapie mit Natalizumab, einem monoklonalen Antikörper gegen die α4 Integrinkette. Ziel der vorliegenden Studie war es, die Auswirkungen der Therapie der schubförmigen MS mit Natalizumab auf die transendotheliale Migration von CD4+CD25+FOXP3+ und CD4+HLA-G+ regulatorischen T Zellen (Treg) und auf die antiproliferative Funktion von FOXP3+ Treg zu untersuchen. Zentrale Hypothese war, dass Natalizumab über eine universelle Blockade der Immunzellinvasion in das ZNS hinaus immunmodulatorisch wirkt. Unter Verwendung eines prospektiven, longitudinalen Studiendesigns wurden die T Zellen von RR-MS Patienten unter Therapie mit Natalizumab (n=31) sowie von stabilen RR-MS Patienten ohne Therapie und gesunden Spendern in jeweils zwei in vitro Modellen der Blut-Hirn-Schranke sowie Treg vermittelter Immuntoleranz untersucht. FOXP3+ regulatorische T-Zellen banden weniger Natalizumab und exprimierten weniger VLA-4 als nicht-regulatorische T Helferzellen, bewahrten unter Therapie jedoch einen höheren Anteil ihrer ursprünglichen VLA-4 Expression. FOXP3+ Treg gesunder Spender wiesen in vitro höhere Migrationsraten über mikrovaskuläre humane Hirnendothelzellen als nicht-regulatorische T Helferzellen auf und akkumulierten innerhalb der T-Zell Population nach Migration. Dagegen reicherten sich FOXP3+ Treg von MS Patienten in Folge der Migration nur nach Vorbehandlung des Endothel mit inflammatorischen Zytokinen an, nicht jedoch ohne diese Vorbehandlung. Natalizumab beeinträchtigte die transendotheliale Migration von FOXP3+ Treg und nicht-regulatorischen T Helferzellen von MS Patienten in vergleichbaren Ausmaßen. HLA-G+ Treg zeigten in den Migrationsanalysen ein den FOXP3+ Treg entgegengesetztes Muster und wiesen ausschließlich in der MS, nicht jedoch im Gesunden, eine höhere Migrationsrate auf als HLA-G- T Helferzellen. Diese Akkumulation von HLA-G+ Treg in der migrierten Zellfraktion ließ sich nach Therapiebeginn nicht mehr nachweisen. Eine ergänzende Einzelfallstudie zu Auswirkungen des LFA-1 Antagonisten Efalizumab auf Treg ergab Hinweise auf eine Schlüsselfunktion dieses Integrins für die Migration von FOXP3+ Treg. Die Analyse der FOXP3+ Treg Suppressorfunktion zeigte eine schrittweise Zunahme des suppressiven Einflusses von FOXP3+ Treg auf die Reifung dendritischer Zellen unter Natalizumabtherapie. Zeitlich parallel kam es zu einem Ungleichgewicht in der Expression von LFA-1 auf der Oberfläche von FOXP3+ Treg und nicht-regulatorischen T Helferzellen. Zusammenfassend stützt die Studie die Hypothese immunmodulatorischer Effekte von Natalizumab in der schubförmigen Multiplen Sklerose, insbesondere auf den Antagonismus von regulatorischen und Effektor-T Zellen. Die Arbeit belegt, dass Natalizumab in vivo über die Blockade von VLA-4 hinaus modulatorisch in das Netzwerk von Adhäsionsmolekülen auf T Zellen eingreift. Die Studienergebnisse ergeben ein Überwiegen regulatorischer Einflüsse auf die Reifung dendritischer Zellen unter Therapie. Berichte zum Beitrag von LFA-1 zur Suppressorfunktion von FOXP3+ Treg werden durch Daten der vorliegenden Studie unterstützt und um Hinweise auf eine zusätzliche, spezifische Bedeutung des Integrins zur präferentiellen Diapedese dieser Treg über die Blut-Hirn-Schranke im Gesunden erweitert. Zudem liefert die Arbeit erstmals Hinweise auf einen Defekt der transendothelialen Migration von FOXP3+ Treg über die Blut-Hirn-Schranke in der schubförmigen Multiplen Sklerose, der zur Entstehung neuer Läsionen beitragen könnte.
Background: We evaluated the effect of insulin stimulation and dietary changes on myocardial, skeletal muscle and brain [18F]-fluorodeoxyglucose (FDG) kinetics and uptake in vivo in intact mice. Methods: Mice were anesthetized with isoflurane and imaged under different conditions: non-fasted (n = 7; "controls"), non-fasted with insulin (2 IU/kg body weight) injected subcutaneously immediately prior to FDG (n = 6), fasted (n = 5), and fasted with insulin injection (n = 5). A 60-min small-animal PET with serial blood sampling and kinetic modeling was performed. Results: We found comparable FDG standardized uptake values (SUVs) in myocardium in the non-fasted controls and non-fasted-insulin injected group (SUV 45-60 min, 9.58 ± 1.62 vs. 9.98 ± 2.44; p = 0.74), a lower myocardial SUV was noted in the fasted group (3.48 ± 1.73; p < 0.001). In contrast, the FDG uptake rate constant (Ki) for myocardium increased significantly by 47% in non-fasted mice by insulin (13.4 ± 3.9 ml/min/100 g vs. 19.8 ± 3.3 ml/min/100 g; p = 0.030); in fasted mice, a lower myocardial Ki as compared to controls was observed (3.3 ± 1.9 ml/min/100 g; p < 0.001). Skeletal muscle SUVs and Ki values were increased by insulin independent of dietary state, whereas in the brain, those parameters were not influenced by fasting or administration of insulin. Fasting led to a reduction in glucose metabolic rate in the myocardium (19.41 ± 5.39 vs. 3.26 ± 1.97 mg/min/100 g; p < 0.001), the skeletal muscle (1.06 ± 0.34 vs. 0.34 ± 0.08 mg/min/100 g; p = 0.001) but not the brain (3.21 ± 0.53 vs. 2.85 ± 0.25 mg/min/100 g; p = 0.19). Conclusions: Changes in organ SUVs, uptake rate constants and metabolic rates induced by fasting and insulin administration as observed in intact mice by small-animal PET imaging are consistent with those observed in isolated heart/muscle preparations and, more importantly, in vivo studies in larger animals and in humans. When assessing the effect of insulin on the myocardial glucose metabolism of non-fasted mice, it is not sufficient to just calculate the SUV - dynamic imaging with kinetic modeling is necessary.