OSM and TIMP-1 in multiple sclerosis: implications for neuroinflammation, remyelination, and neuroregeneration

Abstract

Multiple sclerose (MS) is een auto-immuunziekte van het centrale zenuwstelsel (CZS) waarbij het eigen afweersysteem van de patiënt zich gaat richten tegen de hersenen en het ruggenmerg. In patiënten uit deze ziekte zich in zowel fysieke als cognitieve achteruitgang. De ziekte komt voor in verschillende vormen. Bij het klinisch geïsoleerd syndroom, ook wel CIS genoemd, heeft de patiënt één MSaanval meegemaakt. Wanneer periodes met terugvallen en herstel zich afwisselen, spreekt men van relapsing-remitting MS (RRMS). RRMS kan vervolgens overgaan in secundair-progressieve MS (SPMS) waarbij het aantal herstelperiodes afneemt. Indien de symptomen geleidelijk aan toenemen vanaf het begin van de ziekte, spreekt men ten slotte van primair progressieve MS (PPMS). Naast het feit dat de ziekte in verschillende vormen voorkomt, zijn er meerdere onderliggende mechanismen betrokken. MS start met het binnendringen van autoreactieve immuuncellen in het CZS. Door de aanhoudende ontstekingsreactie verliezen de zenuwcellen hun beschermende myelinelaag, dit wordt demyelinisatie genoemd. Het herstellen van deze isolatielaag, remyelinisatie, gebeurt inefficiënt waardoor er schade kan optreden aan de zenuwcellen. Op de dag van vandaag zijn er verschillende therapieën verkrijgbaar voor de behandeling tegen MS, waarbij er vooral wordt ingezet op het onderdrukken van de ontstekingsreacties. Deze therapieën hebben echter als bijwerking dat ze ook noodzakelijke immuunreacties in ons lichaam gaan onderdrukken. Daarnaast zijn de huidige behandelingen niet in staat om de isolerende myelinelaag rond zenuwcellen te herstellen of om reeds beschadigde zenuwcellen te genezen. Het is dus nodig om nieuwe behandelingen te ontwikkelen die op alle onderliggende mechanismen van de ziekte kunnen inspelen. Oncostatin M (OSM) en zijn receptor vertonen een verhoogde expressie in verschillende neurologische ziektes, ook bij MS. Dit wijst op een belangrijke rol voor OSM in deze ziekte. In de mens kan OSM zijn effecten uitoefenen via binding aan zowel de OSM-receptor (OSMR) als de leukemia inhibitory factor (LIF)- receptor (LIFR). In muizen is er echter enkel binding aan de OSMR mogelijk, wat maakt dat deze een ideaal proefdiermodel zijn om enkel activatie van de OSMR te onderzoeken. In deze thesis onderzochten we of OSM een mogelijk therapeutisch potentieel bezit om in te zetten tegen MS. Hiervoor is het belangrijk dat OSM op tenminste één, maar bij voorkeur op meerdere, onderliggende mechanismen van de ziekte kan inwerken. Er is slechts beperkte informatie voorhanden over de functie van OSM in het CZS (samengevat in hoofdstuk 2). Onze belangrijkste bevindingen met betrekking tot OSM-afhankelijke signalisatie in de context van neuro-inflammatie, de- en remyelinisatie en neurodegeneratie worden hier besproken. In hoofdstuk 3, gingen we dieper in op neuro-inflammatie, meer specifiek de ontsteking van de bloed-hersen barrière (BHB). Deze barrière zorgt ervoor dat het CZS in homeostatische omstandigheden beschermd is tegen schadelijke stoffen vanuit de rest van het lichaam. In MS is deze barrière echter verstoord waarbij schadelijke stoffen en pathogene immuuncellen wel kunnen binnendringen in het CZS. Op cellulair niveau onderdrukte OSM de activatie van de BHB. Hiervoor werd er gekeken naar de expressie van adhesiemoleculen en chemokines door geactiveerde BHB-afgeleide endotheelcellen. In een inflammatoire omgeving, zorgde OSM voor een verminderde expressie van VCAM1 en ICAM-1. Daarnaast werd een chemokine array uitgevoerd op het supernatans van OSM-behandelde BHB-endotheelcellen. Een verminderde aanwezigheid van Th1-gerelateerde chemokines werd geobserveerd. Deze data moeten echter nog bevestigd worden via kwantitatieve ELISA-metingen. Naast BHB-activatie, werd de integriteit van de endotheelcelmonolaag onderzocht. Hierbij werd via transendothelial electrical resistance (TEER) metingen een verlaagde integriteit waargenomen onder invloed van OSM. Dit werd verder bevestigd door een verminderde expressie van claudine-5, een molecule dat de ondoordringbaarheid van de BHB mee bepaalt. Tenslotte werd het belang van OSMR-signalisatie onderzocht in een in vivo context, door middel van het experimentele autoimmune encefalomyelitis (EAE)-diermodel. Hierbij was een minder ernstig ziekteverloop waarneembaar in muizen waar geen OSMR-signalisatie optreedt. Samengevat hebben we aanwijzingen dat OSM-signalisatie neuro-inflammatie lijkt te bevorderen. In hoofdstuk 4, bestudeerden we het belang van OSM tijdens remyelinisatie, een tweede belangrijk proces in MS. In de afwezigheid van OSMR-signalisatie was remyelinisatie verstoord. Dit was te wijten aan de verminderde aanwezigheid van oligodendrocyt voorlopercellen na acute demyelinisatie, veroorzaakt door behandeling van muizen met cuprizone. Verder werden er minder nieuwgevormde mature oligodendrocyten aangetroffen na het stopzetten van de cuprizonebehandeling. Aan de andere kant, waren er meer mature oligodendrocyten aanwezig wanneer OSM therapeutisch werd toegediend in het CZS van muizen nadat ze chronische demyelinisatie hadden ondergaan. Hierdoor was er meer remyelinisatie detecteerbaar. Tissue inhibitor of metalloproteinases-1 (TIMP-1), geproduceerd door astrocyten, werd geïdentificeerd als een belangrijk effectormolecule van OSM. TIMP-1 was rechtstreeks in staat om te zorgen voor oligodendrocyt voorlopercel differentiatie. Daarnaast, werden in TIMP-1 knock-out (KO)-dieren, behandeld met cuprizone, dezelfde effecten gedetecteerd als in OSMR KO- dieren. De rol van OSM in neuroregeneratie werd reeds onderzocht door onze onderzoeksgroep. Hierbij werd een verbeterd functioneel herstel gedetecteerd wanneer muizen met ruggenmergschade lokaal werden behandeld met OSM170 . Op cellulair niveau zorgde OSM voor neuroprotectieve effecten en een verbeterde neuriet uitgroei. In hoofdstuk 5 onderzochten we de bijdrage van TIMP-1 in de context van neuroregeneratie. Zoals eerder aangetoond voor OSM, vonden we dat TIMP-1 een rol speelt in het functioneel herstel na ruggenmergschade. In muizen die niet in staat zijn om TIMP-1 te produceren, was er een verminderd functioneel herstel te zien. Weefselanalyse toonde aan dat er minder axonale regeneratie optreedt in de afwezigheid van endogeen TIMP-1. Onze bevindingen tonen aan dat OSM en TIMP-1 een therapeutisch potentieel bezitten in de behandeling van MS. Hierbij moet echter rekening gehouden worden met mogelijke bijwerkingen in het geval van systemische toedieningswijze. Een cel-specifieke benadering in de ontwikkeling van deze behandelingen is hierbij aangewezen. Daarnaast is verder onderzoek noodzakelijk om uiteindelijk te komen tot een veilige en effectieve behandeling van MS gebaseerd op OSM en/of TIMP-1 gerelateerde mechanismen.