Neuropathologische Langzeitveränderungen im Gehirn von Lewis-Ratten nach neonataler Aerosol-Infektion mit dem Borna-Disease-Virus

Abstract

Welche Spuren hinterlässt ein Virus in Abwesenheit von Immunreaktionen, die die Pathogenese im Gehirn beeinflussen würden?Diesbezüglich befasst sich die vorliegende Dissertation mit den Langzeitveränderungen im Gehirn von Lewis-Ratten aus der NBAE-Studie (newborn aerosol infected). Innerhalb weniger Stunden nach der Geburt erfolgte eine Aerosol-Infektion mit dem Borna-Disease-Virus (BDV).Das RNA-Virus ist das verantwortliche Agens für die Borna Disease (BD), seit vielen Jahrzehnten als progressive Meningopolioenzephalomyelitis im Wesentlichen bei Pferden und Schafen bestimmter endemischer Gebiete in Zentraleuropa bekannt (LUDWIG et al., 1985, GRABNER und FISCHER, 1991). Zusätzlich steht es im Verdacht, zu neuropsychiatrischen Erkrankungen des Menschen beizutragen.Das BDV zeichnet sich vor allem durch eine starke Affinität zu Neuronen aus, insbesondere zu denen der Hippocampus-Formation (GOSZTONYI und LUDWIG, 1984, GOSZTONYI und LUDWIG, 1995, GONZALEZ-DUNIA et al., 1997).Während bei der klassischen BD T-Lymphozyten für ausgeprägte, neurologische Symptome verantwortlich sind (PLANZ et al., 1993, BILZER et al., 1995), traten im NBAE-Modell nahezu keine immunologischen Reaktionen auf. Die geringgradige, transiente Infiltration mononukleärer Zellen einzelner NBAE-Tiere ist wahrscheinlich anhand der mikroglialen Sekretion chemotaktischer Substanzen zu erklären. Aufgrund des immuntoleranten Status der neonatalen Ratten während der Infektion konnten die histopathologischen Befunde neben wenigen alterungsbedingten Veränderungen größtenteils auf das BDV per se zurückgeführt werden. Zur Untersuchung des Gehirngewebes fanden Standard-, Spezial- und immunhistochemische Färbungen statt. Im Fokus standen der semiquantitative Verlauf von Purkinje- und Gliazellen sowie die Beurteilung der weißen Substanz und der Neuronen im Hippocampus.Die Ergebnisse zeigten, dass jeder Gehirnbereich aller NBAE-Tiere persistent mit dem BDV infiziert war, sehr ausgeprägt im Hippocampus, Kleinhirn und Kortex.Verglichen mit gesunden Kontrolltieren, waren in den Langzeituntersuchungen eine vermehrte, neuronale Degeneration im Hippocampus sowie ein ansteigender Verlust von Purkinjezellen zu beobachten. Zwischen dem physiologischen und dem BDV-bedingten Purkinjezell-Verlust erwies sich die Differenz, welche als Degenerationsgrad zu deuten ist, in der Altersgruppe 4 bis 6 Monate als am größten. In diesem Alter war das Virus demnach besonders aktiv .Da das BDV vermutlich aerogen übertragen wird, hat die Infektion der hippocampalen Neuronen und der Purkinjezellen große Bedeutung für das Überleben des Virus. In diesen Gehirnarealen werden u. a. Verhalten und Motorik gesteuert. Die Hemmung der Bewegung eines (jungen) Tieres erleichtert auf diesem Weg die aerogene Transmission innerhalb einer Herde.Neben einer verminderten Oligodendrozyten-Zahl und einer daraus resultierenden Verschmälerung des Corpus callosum fiel des Weiteren in der weißen Substanz der NBAE-Ratten eine verringerte Faserdichte auf. Axone bzw. Myelinscheiden stellten sich undeutlich und teils perlschnurartig verändert dar. Vorrangig ließ das Kleinhirnmark einen vakuolenartigen Substanzverlust erkennen. Dieser steht im kausalen Zusammenhang mit dem hochgradigen Purkinjezell-Verlust.Ungeklärt bleibt, ob es sich bei der NBAE-Pathogenese um eine primäre Axonopathie mit reaktiver Myelinopathie oder um den entgegengesetzten Fall handelt. Durch die virale Modulation ist eine neuronale Apoptose mit gleichzeitiger Oligodendrozyten-Dysfunktion denkbar. Der funktionelle Zusammenhang zwischen den Oligodendrozyten, der Myelinisierung und der Phosphorylierung von Neurofilamenten in Neuronen bzw. Axonen lässt eine isolierte Betrachtung dieser Vorgänge nicht zu.Darüber hinaus sollten die Folgen der Wirkung anderer Gliazellen auf Neuronen und Oligodendrozyten beachtet werden. Alterungsbedingt ist eine Korrelation von Demyelinisierung sowie Aktivierung von Astrozyten und Mikroglia möglich (XIE et al., 2013). Die Untersuchungen wiesen eine anhaltende Proliferation dieser Zellpopulationen auf. Die Gruppe 12 bis 15 Monate ließ in Bezug auf die Astrozyten-Zahl einen Peak erkennen, der als ein Zeichen von Regeneration zu interpretieren ist.Die Sekretion diverser, glialer Substanzen kann sowohl einen protektiven als auch destruktiv Effekt auf das Gewebe haben. Eine Destruktion würde weitere Schäden hervorrufen und so im gewissen Maße die Progression der Neurodegeneration mit resultierender Glia-Stimulation wie in einem Circulus vitiosus aufrechterhalten.Möglicherweise fungiert das persistente, nicht-zytolytische BDV in diesem Zusammenhang als Auslöser für neurodegenerative Veränderungen im Alter. What kind of footprints would be left by a virus, if there is no immune reaction to influence the pathogenesis in the brain?In this regard, this work investigates long-term changes in the central nervous system of Lewis rats infected as neonates within a few hours after birth with an aerosol of Borna disease virus (BDV).BDV as an RNA virus is the causative agent for Borna disease (BD) known as a progressive endemic meningoencephalomyelitis previously in horses and sheep (LUDWIG et al., 1985, GRABNER und FISCHER, 1991). Additionally, it is suspected of being involved in human neuropsychiatric diseases.BDV is characterized by distinct affinity to neurons, especially of the hippocampus formation (GOSZTONYI und LUDWIG, 1984, GOSZTONYI und LUDWIG, 1995, GONZALEZ-DUNIA et al., 1997).While classic BD shows severe neurological signs due to T-lymphocyte reactions (PLANZ et al., 1993, BILZER et al., 1995), there was only a weak immune reaction in the NBAE model. Minimally intense transient infiltration of mononuclear cells in single NBAE animals can be explained by microglial secretion of chemotactic substances. Based on the immune-tolerant status of newborn rats during the infection, histopathological findings can mainly be attributed to BDV per se in addition to few age-related changes.In order to investigate brain tissue, standard, special, and immunhistochemical staining was used. The focus was on the semiquantitative analysis of Purkinje cells and glia cells as well as the evaluation of alterations within the white matter and hippocampal neurons.The findings revealed persistent BDV infection of any brain area in each NBAE rat pronounced in the hippocampus, cerebellum, and cortex.Compared to healthy controls, there were long-term changes such as increased neuronal degeneration in the hippocampus and progressive loss of Purkinje cells. The difference between physiological and BDV-dependent Purkinje cell loss reached its peak in group 4 bis 6 Monate (four to six months). This can be interpreted as a kind of degeneration stage, i.e. BDV was at its most active level at this age.It is assumed that this virus is transmitted via airborne infection. Hence for the survival of BDV, infecting the hippocampus and Purkinje cells is important, because behavior and motoric skills are controlled by these regions. The airborne transmission might be facilitated by inhibited movement of (young) animals within a herd.Furthermore, decreased oligodendrocyte numbers, reduced thickness of the corpus callosum, and low density of fibers within the white matter were found. Axons and accordingly myelin sheaths exhibited indistinct structure and swelling in the form of a string of pearls. Vacuole-like loss was mainly found in the center of the cerebellum which appears to be associated with severe loss of Purkinje cells.Concerning NBAE pathogenesis, it remains unclear whether there was axonopathy first or myelinopathy first. It is possible that neuronal apoptosis is simultaneous with oligodendrocyte dysfunction based on the BDV-dependent cellular modulation. The functional relationship between oligodendrocytes, myelination, and phosphorylation of neuronal and axonal neurofilaments should not be considered separately.Beyond that, consequences of glial effects on neurons and oligodendrocytes have to be mentioned. There is possible age-related correlation between demyelination and activation of astrocytes and microglia (XIE et al., 2013). In conclusion, the investigations revealed persistent astrogliosis and microgliosis while astrocyte counts reached their peak in group 12 bis 15 Monate (12 to 15 months) which can be interpreted as a sign of regeneration.Secreted glial substances are able to contribute either protection or destruction of brain tissue. The latter would result in a continuous process that would maintain the progression of neuronal degeneration and glia stimulation in a vicious circle.In this context, BDV, being a persistent and non-cytolytic virus, presumably poses as a trigger for neurodegenerative alterations in old age.