Charakterisierung der Beteiligung des Transkriptionsfaktors NF-IL6 an der Induktion zentralnervös kontrollierter Krankheitssymptome in der Ratte
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Zusammenfassung
Systemische Entzündungsreaktionen gehen mit charakteristischen Symptomen wie Fieber, Anorexie, Adipsie, Lethargie und Verminderung der Körpermasse einher. Diese unterliegen der zentralnervösen Kontrolle und werden zusammengefasst auch als sickness-behavior bezeichnet. Lipopolysaccharid (LPS), ein Zellwandbestandteil gram-negativer Bakterien, gehört zu einer Gruppe von hoch konservierten, pathogentypischen Molekülstrukturen, den sog. pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). LPS löst nach experimenteller, systemischer Applikation in Ratten zuverlässig und reproduzierbar den Symptomkomplex sickness-behavior aus. Für die Übermittlung inflammatorischer Stimuli aus der Peripherie an übergeordnete, regulatorische Zentren des ZNS hat unter anderem der sogenannte humorale Signalweg eine zentrale Bedeutung. Er beschreibt das Einwirken zirkulierender Mediatoren auf bestimmte, exponierte Gehirnareale und die nachfolgende Weiterleitung der entsprechenden Signale zu spezifischen Gehirnstrukturen. Dabei kommt den sogenannten circumventrikulären Organen (CVO) eine zentrale Rolle zu, da ihre im Allgemeinen als undicht bezeichnete Blut-Hirn-Schranke den direkten Kontakt von Signalmolekülen mit Hirnzellen ermöglicht. Des Weiteren sind vor allem Endothelzellen des Gehirns und perivaskuläre Makrophagen an der Signalübermittlung beteiligt. Die am Ende verschiedener Kommunikationswege zwischen Peripherie und ZNS stehende, genomische Aktivierung von Zellen innerhalb der entsprechenden regulatorischen Zentren im Hypothalamus wird über spezifische Transkriptionsfaktoren vermittelt, die damit gleichzeitig als Aktivierungsmarker im Gehirn angesehen und zur Darstellung entsprechender Aktivierungsvorgänge verwendet werden können. Neuroanatomisch charakteristische Ex¬pres¬sions¬muster nach systemischer Inflammation wurden in der Vergangenheit im Gehirn z.B. für die Transkriptionsfaktoren NF kappaB und STAT3 aufgezeigt, die vorrangig mit der Induktion aber auch der Aufrechterhaltung zentralnervös kontrollierter Krankheitssymptome in Verbindung gebracht werden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die neuroanatomische Charakterisierung des Transkrip¬tions¬faktors NF IL6 (Nuclear Factor IL-6), einem Mitglied der sog. Transkriptionsfaktor-Superfamilie bZIP . Im Speziellen wurde seine spezifische Rolle im Gehirn für die Induktion, Ausprägung und Aufrechterhaltung von Krankheitssymptomen, sowie sein Zusammenspiel mit STAT3 und NF kappaB im Verlauf systemischer Inflammations¬reak¬tio¬nen näher untersucht.In drei einzelnen Teilstudien stellte sich NF IL6 nach intraperitonealer Injektion von 100 µg bzw. 1 mg/kg KM LPS gegenüber PBS-behandelten Kontrollen als ein weiterer Aktivierungsmarker im Gehirn dar. Erstmalig konnte ein deutliches, zeitabhängiges Muster der LPS-induzierten NF IL6-Immunreaktivität (I.R.) gezeigt werden. Dabei trat die maximale Signaldichte und -intensität im Gehirn im Zeitraum zwischen 6 und 8 Stunden nach einem LPS-Stimulus auf und konzentrierte sich auf Hirnstrukturen und Zellen, die an der Übermittlung und Weiterleitung peripherer inflammatorischer Signale an das ZNS und der Induktion und Aufrechterhaltung zentralnervös kontrollierter Krankheitssymptome beteiligt sind. Dazu gehörten z.B. die sensorischen CVO (Organum vasculosum laminae terminalis, OVLT; Organum subfornicale, SFO; Area postrema, AP) und Zellen der Blut-Hirn-Schranke. Eindeutig konnte erstmals neben Astrozyten, Mikrogliazellen und Neuronen außerdem die Bedeutung von NF IL6 in Endothelzellen und perivaskulären Makrophagen im Gehirn demonstriert werden. Entsprechend dieser Ergebnisse scheint NF IL6 ein neuer später Zellaktivierungsmarker zu sein, der möglicherweise anders als bisher bekannte Marker, zellübergreifend und auch im Verlauf längerfristiger und / oder chronischer Entzündungsreaktionen im Gehirn, für Untersuchungen sowohl direkter nervaler als auch humoraler Kommunikationswege zwischen Gehirn und Peripherie geeignet ist. Als Hauptregulationsmechanismus der NF IL6-Aktivität im Rahmen LPS-bedingter Inflammationsreaktionen trat die de novo Synthese von NF IL6 in den Vordergrund. Die aktivierende Isoform des Proteins (LAP) wurde nach Stimulation mit 100 µg/kg KM LPS im Western Blot und immunhistochemisch im Vergleich zu Kontrolltieren vermehrt im Gehirn nachgewiesen.Funktionell ist eine Rolle von NF IL6 anhand der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sowohl für die Aufrechterhaltung von zentralnervös kontrollierten Krankheitssymptomen, als auch für deren Abklingen denkbar; der Transkriptionsfaktor scheint sowohl pro- als auch anti-inflammatorische Eigenschaften aufzuweisen. So korrelierte die maximale LPS-bedingte NF IL6 I.R. nach Verabreichung von 100 µg bzw. 1 mg/kg LPS mit der Plateauphase bzw. einer jeweils stabilen Phase des resultierenden Fiebers, sowie einer verlängerten Expression des wichtigen Mediators IL 6 im Blutkreislauf. Parallel wurden potentielle pro-inflammatorische (COX2, mPGES, IL 1& #946;), sowie anti-inflammatorische (IL 10) NF IL6-Zielgene im Hypothalamus induziert. Außerdem verursachte die gezielte Blockade einer JAK2-vermittelten NF IL6-Aktivierung im Gehirn, verbunden mit der gleichzeitigen Inhibition der STAT3-Aktivierung, durch den spezifischen Inhibitor AG490 (3 µg, intracerebroventrikulär; i.c.v.) dissoziierende Veränderungen von LPS-induzierten Krankheitssymptomen im Vergleich zu Kontrolltieren, die nur mit dem entsprechenden Lösungsmittel behandelt worden waren. Die Ausprägung dieser Symptome wurde durch die JAK2-Inhibition sowohl teilweise verstärkt (Fieber) als auch vermindert (Lethargie, Adipsie). Hier zeigte sich vor allem ein bedeutender Zusammenhang von STAT3- und NF IL6-bedingten Signalwegen für die IL 10-Expression im Hypothalamus, da die mRNA-Expression dieses Gens durch die Behandlung mit AG490 signifikant beeinflusst wurde. Außerdem wurde für COX2, mPGES und TNF& #945; die Bedeutung der Kombination von STAT3 und NF IL6 für die hypothalamische Expression in vivo herausgearbeitet. Als mögliches Stoppsignal der NF IL6-Aktivierung im Gehirn konnte in dieser Arbeit erstmalig Trib1 charakterisiert werden.Anhand der vorliegenden Ergebnisse sind für die Induktion, Aufrechterhaltung und Beendigung zentralnervös kontrollierter Krankheitssymptome sowohl synergistische, als auch zeitlich aufeinander aufbauende Funktionen der Transkriptionsfaktoren NF kappaB, STAT3 und nachfolgend NF IL6 anzunehmen. Durch die angewendete Methodik der i.c.v. Verabreichung von AG490 oder anti-NF IL6-siRNA wurden über die zentrale Fragestellung hinaus zusätzliche, interessante Erkenntnisse gewonnen. So untermauerten die entsprechenden Teilstudien die zentrale Rolle von NF IL6 für die Aktivierung von Mikrogliazellen durch pro-inflammatorische Mediatoren oder mechanische bzw. traumatische Einflüsse sowohl in vitro als auch in vivo. Auf methodologischer Ebene zeigt die vorliegende Arbeit zusätzlich Grenzen der Anwendung der RNAi in vivo, vor allem in Bezug auf die Untersuchung inflammatorischer Prozesse im Gehirn auf. Für zukünftige, weiterführende Studien stellt vor allem die Rolle von NF IL6 auf verschiedenen Ebenen der HPA-Stressachse, die in der vorliegenden Arbeit insbesondere anhand langfristiger, anti-inflammatorischer Effekte deutlich wurde, eine vielversprechende Fragestellung dar. Neben einem besseren Verständnis bzw. neuen Erklärungsansätzen der komplizierten Mechanismen, die das Zusammenspiel inflammatorischer Mediatoren und Transkriptionsfaktoren untereinander regeln und letztendlich die zentralnervöse Kontrolle peripher ausgelöster Krankheitssymptome ermöglichen, bieten die vorliegenden Ergebnisse zur möglichen Bedeutung von NF IL6 auch neue Anhaltspunkte für die Entwicklung therapeutischer Ansätze. Außer dem inflammatorischen Stoppsignal Trib1 ist insbesondere die beobachtete Dissoziation von Fieber und anderen Krankheitssymptomen nach zentraler Anwendung des JAK2-Inhibitors AG490 von Bedeutung und könnte die gezielte Bekämpfung unerwünschter Krankheitssymptome bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der im Zuge der In¬fek¬tions¬ab¬wehr bedeutsamen Fieberreaktion erlauben. Nicht zuletzt bietet das in der vorliegenden Arbeit zeitlich charakterisierte LPS-induzierte Aktivierungsmuster von NF IL6 im Gehirn von Ratten eine wichtige Grundlage für die Verwendung von NF IL6 als neuer später Aktivierungsmarker zur zukünftigen Klärung weiterer Fragestellungen aus dem Bereich der neuroimmunologischen Grundlagenforschung.Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
Beschreibung
Anmerkungen
Erstpublikation in
Giessen : VVB Laufersweiler