ADAM17-deficiency on microglia but not on macrophages promotes phagocytosis and functional recovery after spinal cord injury in vivo

Abstract

Spinal cord injury and its physiological consequences have severe impact on the patients’ quality of life. The initial tissue damage is followed by a cascade of inflammatory processes with a detrimental effect on SCI pathogenesis. Due to a lack of efficient therapeutic approaches, there is a need to identify new therapeutic targets. Through the release of transmembrane proteins, ADAM17 is playing a crucial role in physiological processes under homeostatic as well as pathological circumstances. In this thesis, I focused on unravelling the effects of ADAM17, a major sheddase and a master regulator of inflammatory as well as regenerative processes, after SCI. The specific inhibition of ADAM17 is still challenging and accompanied by severe side-effects. Understanding the environment around the lesion by enhanced clearance of apoptotic cells and promotes thereby a favorable environment for axonal regeneration. In the final part of this thesis (Chapter V), the effect of ADAM17-deficiency on the phagocytic behavior of microglia and macrophages was investigated. These data reveal that ADAM17-deficiency on microglia and macrophages has no substantial effect on phagocytosis of apoptotic cells in vitro. Taken together, I have demonstrated in this thesis that ADAM17 and specifically ADAM17 expressed on microglia has a detrimental impact on inflammation as well as on functional and histopathological outcome after SCI. ADAM17-mediated effects and the cell-type specific role of ADAM17 may help to develop new therapeutic strategies for CNS trauma. At first, a focus was set in this thesis on unraveling ADAM17 mediated effects on functional and histological recovery after SCI by using pharmacological inhibitors and the hypomorphic ADAM17 knockin mouse model (Chapter IV). The data presented in this thesis demonstrate that ADAM17 impairs functional recovery after SCI and modulates the inflammatory environment at the lesion site by impeding clearance of apoptotic cells. In a second part of this study, it was examined whether ADAM17 affects the activation state of bone marrow-derived macrophages and microglia upon stimulation. The results indicate that ADAM17 has no strong effect on the phenotype of bone marrow-derived macrophages and microglia cells. In a third attempt, the cell-type specific effects of ADAM17 on endothelial cells, monocyte-derived macrophages and microglia on functional and histological recovery after SCI were investigated. To do so, different conditional and conventional genetically modified mouse models as well as bone marrow chimera were used. Our results show that ADAM17 expressed on myeloid or endothelial cells has no effect on the inflammatory environment and functional recovery following SCI. However, our data revealed a crucial effect of microglial ADAM17 on the functional and histopathological outcome after SCI. Our results suggest that microglial-specific ADAM17-deficiency modulates the inflammatory.

Een ruggenmergletsel is een ernstige aandoening met drastische gevolgen voor de levensverwachting en –kwaliteit van de patiënten. De primaire schade wordt gevolgd door een secundaire fase bestaande uit een cascade van onstekingsreacties, die een negatieve invloed hebben op de pathogenese. Tot op heden is er geen behandeling op de markt die in staat is om functioneel herstel na ruggenmergschade te verbeteren. Deze onbeantwoorde vraag bevestigt dan ook de dringende noodzaak naar nieuwe therapeutische strategieën. Door de “shedding” van transmembrane eiwitten beïnvloed ADAM17 fysiologische processen zowel onder homeostatische als pathologische omstandigheden. Hierdoor wordt dit eiwit beschouwd als een belangrijk schakelstuk van inflammatoire en regeneratieve processen. De specifieke inhibitie van ADAM17 is nog steeds een uitdaging en gaat gepaard met ernstige bijwerkingen. Begrip van ADAM17-gemedieerde processen en zijn cel-specifieke functies kan helpen bij de ontwikkeling van nieuwe behandelingsopties voor ruggenmergschade. Ten eerste is het modulerende effect van ADAM17 op functioneel en histologisch herstel na een ruggenmergletsel onderzocht door het gebruik van farmacologische remmers en het hypomorfe ADAM17 knockin-muismodel (Hoofdstuk IV). De resultaten in dit proefschrift tonen aan dat ADAM17 1) functioneel herstel na ruggenmergschade verslechterd en 2) de inflammatoire omgeving op de plaats van de laesie moduleert door opruiming van apoptotische cellen te belemmeren. In het tweede deel van deze studie zijn de effecten van ADAM17 op het fenotype van beenmerg marcofagen en microglia bepaald. De data wijzen uit dat ADAM17 geen sterk effect heeft op het fenotype van beenmerg macrofagen, noch op microglia. In een derde benadering is het celtype-specifieke effect van ADAM17 bestudeerd. Hierbij lag de focus op endotheelcellen, macrofagen en microglia en de functie van ADAM17 op deze cellen bij functioneel en histologisch herstel na ruggenmergschade. Hiervoor werd er gebruik gemaakt van verschillende conditionele en conventionele genetisch gemodificeerde muismodellen en beenmerg transplantatie. Onze bevindingen tonen aan dat ADAM17 expressie door myeloïde cellen of endotheelcellen geen invloed heeft op de inflammatoire omgeving en functioneel herstel na ruggenmergschade. Daarentegen heeft ADAM17 expressie op microglia een cruciaal effect op de functionele en histopathologische uitkomst na een ruggenmergletsel. Onze data wijzen uit dat ADAM17-deficiëntie specifiek op microglia de inflammatoire omgeving rond de laesie moduleert door een verhoogde fagocytose van apoptotische cellen te induceren en daardoor de axonale regneratie bevordert. In het laatste deel van dit proefschrift (Hoofdstuk V) werd het effect van ADAM17-deficiëntie op het fagocytisch gedrag van microglia en macrofagen in vraag gesteld. De gegevens bevestigen dat ADAM17-deficiëntie op microglia en macrofagen de fagocytose van apoptotische cellen niet substantiel beïnvloedt. In conclusie, tonen de resultaten beschreven in deze thesis aan dat ADAM17 en specifiek, ADAM17 op microglia, een nadelige invloed heeft op de ontsteking en bijgevolg ook op de functionele en histopathologische uitkomst na ruggenmergschade.