The role of TNF-α, ADAM17 and IL-13 in CNS injury and repair

Abstract

SCI is devastating pathology associated with a significant impact on life expectancy and quality, as well as a considerable economic cost. To date there is no cure available; hence there is an urgent need to identify efficient therapies. In order to achieve this, it is important to clearly identify the temporal and spatial role of specific target molecules; it may well be that some molecules play a regenerative role during the acute phase, while a more harmful effect may be observed at later stages, or vice versa. In this thesis, we firstly examined the potential effects of the “antiinflammatory” cytokine IL-13 on neuroregenerative processes. We show that IL-13 is a potent promoter of neurite growth and neuronal survival in vitro (chapter 2). The data presented in this thesis, together with own in vivo data indicating beneficial effects of IL-13 after SCI, make IL-13 a promising candidate to promote regeneration after CNS injuries. However, more studies are needed to determine the optimal time window and dosage for IL- 13 application, as well as the possibility of co-application of IL-13 with other molecules. Secondly, we present evidence that anti-TNF-D therapies have a specific time window of effectiveness. TNF-D mRNA levels do not correlate with TNF-D protein levels, since an increase of TNF-D mRNA expression was observed during the acute phase after SCI., while protein levels were decreased. Interestingly, functional recovery of locomotion skills have been observed using anti-TNF-D drugs during the early acute phase. However, during the early chronic phase, blocking of TNF-D did not influence functional outcome as assayed by the BMS (chapter 3). Finally, we investigated the role of the metalloproteinase ADAM17 in the pathology of SCI. We are the first to show that ADAM17 displays a celldependent effect on survival, with ADAM17 inhibition mainly reducing the viability of microglial cells (in vitro and in vivo). In addition, ADAM17 was found to be involved in the promotion of neurite growth in cortical neuronal cultures, and importantly, ADAM17 inhibition decreased functional outcome after SCI (chapter 4). These promising results strongly suggest a therapeutic potential for ADAM17 as a modulator of microglial survival and activation to promote regeneration after CNS injury. Together, our findings justify further studies on the therapeutic potential of both IL-13 and ADAM17 in the treatment of CNS injuries.

Ruggenmergschade is een ernstige aandoening, die wordt geassocieerd met een belangrijke impact op de levensverwachting en de kwaliteit van leven, en die vanuit economisch oogpunt nadelig is. Tot op heden is er geen therapie beschikbaar; er is dus dringend nood aan de ontwikkeling van efficiënte behandelingen. Hiertoe is het belangrijk om de exacte rol van specifieke targetmoleculen te bepalen in de tijd en ruimte, aangezien de mogelijkheid bestaat dat bepaalde moleculen een meer regeneratieve rol spelen in de acute fase, terwijl deze in een latere fase schadelijk zijn, of omgekeerd. In deze doctoraatsthesis werd als eerste het effect van het antiinflammatoire cytokine IL-13 onderzocht op processen betrokken bij neuroregeneratie. We tonen voor het eerst dat IL-13 een sterke stimulator is van neurietgroei en neuronale overleving in vitro (hoofdstuk 2). De data voorgesteld in deze thesis, tezamen met data van onze onderzoeksgroep die aantonen dat IL-13 bevorderlijk is voor herstel na SCI in vivo, suggereren dat IL-13 een veelbelovend kandidaat-molecule is ter bevordering van regeneratie na schade aan het centraal zenuwstelsel (CZS). Echter, uitgebreid onderzoek is essentieel om het optimale tijdsvenster en de juiste dosering voor het toedienen van IL-13 te bepalen, alsook de mogelijkheid voor het toedienen van IL-13 in combinatie met andere factoren. In een tweede luik hebben we aangetoond dat anti-TNF-Dtherapieën een specifiek tijdsafhankelijk effect vertonen in de context van ruggenmergschade. Bovendien correleren TNF-DmRNA niveaus niet met TNF-Deiwit niveaus, aangezien een toename in TNF-DmRNA niveaus werd waargenomen in de acute fase na SCI, maar TNF-Deiwit niveaus daarentegen daalden. Eerder werd wel functioneel herstel van motorische vaardigheden gezien bij gebruik van anti-TNF-Dmiddelen tijdens de acute fase. Echter, onze data tonen aan dat blokkeren van TNF-D in de vroege chronische fase geen effect heeft op functioneel herstel zoals bepaald werd met de BMS score (hoofdstuk 3). Tenslotte werd onderzocht of het metalloproteinase ADAM17 een rol speelt in de pathologie na ruggenmergschade. We zijn de eerste om aan te tonen dat ADAM17 een cel-specifiek effect op overleving vertoont, waarbij inhibitie van ADAM17 voornamelijk de viabiliteit van microglia verlaagt (in vitro en in vivo). Daarnaast blijkt ADAM17 ook belangrijk voor het bevorderen van neurietgroei in corticale neuronale culturen, en belemmerde de inhibitie van ADAM17 het in vivo functioneel herstel na ruggenmergschade (hoofdstuk 4). Deze veelbelovende resultaten duiden sterk op het therapeutisch potentieel van ADAM17 als modulator van de viabiliteit en activatie van microglia ter bevordering van regeneratie na schade aan het CZS. Samengevat rechtvaardigen onze bevindingen verder onderzoek naar het therapeutisch potentieel van zowel IL-13 als ADAM17 voor de behandeling van CZS schade.