Identification of cellular and molecular mechanisms involved in leukocyte trafficking across the blood-brain-barrier in multiple sclerosis
Immunology
Clinical Neurology; Neurosurgery and Neuroradiology
Final Report Abstract
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist eine Barriere zwischen dem Blutkreislauf und den Nervenzellen des Zentralen Nervensystems (ZNS; Gehirn und Rückenmark) und schützt diese vor Milieuänderungen im Blut, welche durch Nahrungsaufnahme bedingt sind, oder schützt vor Krankheitserregern wie Viren und Bakterien. Diese im Körper einzigartige Barriere wird durch komplexe Verbindungen (tight junctions; TJ) zwischen benachbarten Endothelzellen, welche die Wände der Blutgefäße bilden, und zwei Basalmembranen (dünne lichtmikroskopisch wahrnehmbare Schichten), die durch einen Raum (perivaskulärer Raum) getrennt sind, gebildet. Diese Verbindungen beinhalten Moleküle, die zum einen mit Molekülen der gleichen Art aber auch mit anderen TJ Molekülen feste Verbindungen eingehen. Zu den TJ Molekülen gehören die Claudine, Occludin und die junctionalen Adhäsionsmoleküle (JAM) A, B, und C. Die BHS stellt dennoch keine absolute Barriere dar, sie kontrolliert aber das Einwandern von Zellen des Immunsystems in das ZNS. Funktionsstörungen im ZNS wie z.B. bei der Multiplen Sklerose (MS) und beim entsprechenden Tiermodell experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) werden durch ins ZNS einwandernde autoaggressive Immunzellen hervorgerufen, die Entzündungsreaktionen auslösen und die Stabilität der BHS beeinträchtigen. Diese Entzündungen führen bei MS und EAE zur degenerativen Zerstörung axonaler Markscheiden (Entmarkung, Demyelinisierung) und folglich dem Sterben von Nervenzellen (Neurodegeneration). Um ins ZNS einwandern zu können, müssen im Blut reisende Immunzellen mit den Endothelzellen der BHS interagieren. Diese Interaktion werden durch Adhäsionsmoleküle auf der Zelloberfläche vermittelt. Diese sind bei Entzündungen im ZNS von zentraler Bedeutung was vor allem dadurch deutlich wird, dass die Blockade des Adhäsionsmoleküls VLA-4 auf Immunzellen, das normalerweise an sein seinen Bindungspartner VCAM-1 auf den Endothelzellen bindet, das Einwandern von Immunzellen verhindert und somit die Schubrate bei MS Patienten deutlich reduziert. Allerdings kann das Blockierung der Einwanderung von Immunzellen auch schwere Nebenwirkungen hervorrufen, da auch Immunzellen, die das ZNS schützen, nicht mehr einwandern können. Daher ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen wie verschiedene Immunzellen ins ZNS gelangen, um neue Therapien zu entwickeln, die gezielt nur den Übertritt autoaggressiver Immunzellen ins ZNS verhindern. Kürzlich wurde herausgefunden, dass auch das TJ Molekül JAM-B mit VLA-4 interagieren kann, und daher ein potentielles Ziel für neue Therapien darstellt, was in diesem Projekt untersucht wurde. Um zu klären ob JAM-B bei der Einwanderung von Immunzellen über die BHS bei EAE eine Rolle spielt wurde ein in vitro (außerhalb eines lebenden Organismus) Modell benutzt. Hierzu wurden die Endothelzellen aus dem ZNS von Mäusen isoliert. Allerdings wurde festgestellt, dass diese Zellen nach sieben Tagen außerhalb des Organismus kein JAM-B mehr in den TJ aufweisen und daher diese Art der Untersuchung nicht möglich war. Um die Rolle von JAM-B bei EAE dennoch zu untersuchen, wurden Labormäuse (Wildtyp; WT) mit genetische veränderten Mäusen, die kein JAM-B aufweisen (JAM-B-/-) im Tiermodell EAE verglichen. WT Mäuse zeigten im Vergleich zu Mäusen, die kein JAM-B aufweisen einen schwereren Krankheitsverlauf, obgleich auch JAM-B-/- Tiere Krankheitssymptome zeigten. Interessanterweise wurden weniger einwandernde Immunzellen in WT Mäusen gefunden als in JAM-B-/- Mäusen. Analysen zur Lokalisation dieser Immunzellen ergab, dass die Mehrzahl der Immunzellen im perivaskulären Raum zwischen den beiden Basalmembranen in JAM-B-/- Mäusen eingesperrt waren, wo sie keinen Schaden anrichten können. Bedeutend war, dass zwischen WT und JAM-B-/- Mäusen kein Unterschied im Krankheitsverlauf zu finden war, wenn diesen in vitro aktivierte autoaggressive Immunzellen direkt injiziert wurden, was darauf hinweist, dass JAM-B bei der Immunzellaktivierung und auch bei der Einwanderung von Immunzellen in das ZNS eine Rolle spielt. Die zugrundeliegenden Mechanismen müssen jedoch noch aufgeklärt werden.
Publications
- 2015. Brain barriers: Crosstalk between complex tight junctions and adherens junctions. J Cell Biol. 209:493-506
Tietz, S., and B. Engelhardt
(See online at https://doi.org/10.1083/jcb.201412147) - 2015. Migration of encephalitogenic CD8 T cells into the central nervous system is dependent on the alpha4beta1-integrin. Eur J Immunol. 45:3302-3312
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(See online at https://doi.org/10.1002/eji.201545632)
