Modulating macrophage function for the treatment of neuroinflammatory diseases

Abstract

Spinal cord injury (SCI) is a severe condition with drastic consequences for the patients, such as paralysis, incontinence, and spasticity. Therefore, patients require a lot of support, which makes that this condition has a significant economic burden on society. Despite medical advances, to date, there is still no therapy that successfully provides full recovery to the patient. This highlights the urgent need for the development of new therapeutic interventions. In addition to the direct damage, a cascade of secondary processes develops that negatively impacts the recovery of the patient. One of the most critical parts of this phase is a robust inflammatory response, mainly mediated by macrophages. Due to the significant role of these cells in the pathogenesis of SCI, this study aimed to modulate these cells to dampen the inflammatory response and thereby stimulate recovery. The first strategy to reduce the inflammation that develops after SCI was to inject macrophages that secrete an anti-inflammatory cytokine, interleukin-13 (IL-13). In chapter 4, we demonstrated that the injection of IL-13-secreting macrophages is a successful method to achieve both functional and histopathological repair in a mouse model of SCI. Furthermore, we also exposed the underlying mechanism. Namely, that the cell injection caused a change in the lesion environment by affecting local macrophages/microglia. After SCI, the harmful macrophages/microglia, responsible for the secretion of toxic factors and cause axonal retraction, dominate at the lesion site. Treatment with the IL-13- secreting macrophages made these cells change their phenotype and become more anti-inflammatory. This was associated with a neuroprotective effect, as there were fewer dead neurons as well as less destructive macrophage-axon contact, suggesting less axonal retraction. Using a mouse model deficient for IL13 signaling, we showed that IL-13 is necessary to restore function. However, IL13 had no direct effect on neurons but exerted an indirect neuroprotective effect, most likely through macrophages/microglia modulation. In line with SCI, multiple sclerosis (MS), an autoimmune disease of the central nervous system, is characterized by an inflammatory response mainly driven by macrophages. Therefore, in chapter 5, we investigated whether treatment with the IL-13-secreting macrophages could also induce recovery in a mouse model for MS. Unfortunately, both local and systemic injection of the IL-13-secreting macrophages failed to reduce disease symptoms. The second strategy to limit inflammation after SCI was to treat mice with inhibitors for phosphodiesterase 4 (PDE4), which degrade an intracellular molecule involved in anti-inflammatory and pro-regenerative effects. General PDE4 inhibitors have beneficial effects after SCI but are associated with side effects such as nausea and vomiting. Therefore, we focused on the inhibition of specific subfamilies in this study. In chapter 6, we showed that the administration of a PDE4B inhibitor did not affect functional outcome after SCI. In contrast, PDE4D inhibition, like a non-specific PDE4 inhibitor, induced functional and histopathological recovery after SCI in mice. In addition, we showed that the general PDE4 inhibitor at the recovery-inducing dose was still associated with side effects, which was not the case for the PDE4D inhibitor. However, the underlying mechanism for the beneficial effects after PDE4D inhibition still needs to be unraveled. In summary, the results described in this thesis show that both IL-13 and PDE4D inhibitor treatment restore function in mice after SCI. Further research will have to determine whether these promising immunomodulating approaches could have therapeutic potential for SCI patients.

Een ruggenmergletsel of dwarslaesie is een ernstige aandoening met drastische consequenties voor de patiënt zoals verlamming, incontinentie en spasticiteit. Hierdoor zal de patiënt veel ondersteuning nodig hebben, wat er voor zorgt dat deze aandoening een grote economische impact heeft op de samenleving. Ondanks de medische vooruitgangen, is er tot op heden nog geen behandeling die erin slaagt volledig herstel te bieden aan de patiënt. Dit benadrukt de dringende noodzaak voor de ontwikkeling van nieuwe therapeutische interventies. Naast de directe schade, ontstaat er een cascade van secundaire processen die een negatieve invloed heeft op het herstel van de patiënt. Een van de belangrijkste onderdelen van deze fase is een sterke ontstekingsreactie, die voornamelijk door macrofagen tot stand gebracht wordt. Door de significante rol van deze cellen in de pathogenese van ruggenmergschade, was het doel van dit onderzoek deze cellen te moduleren om de ontstekingsreactie die zij veroorzaken te temperen en zodoende herstel te stimuleren. Een eerste strategie om de sterke ontsteking die er ontstaat na ruggenmergschade te verminderen was door macrofagen te injecteren die een anti-inflammatoire cytokine, namelijk interleukin-13 (IL-13), secreten. In hoofdstuk 4, hebben wij aangetoond dat de injectie van IL-13-secreterende macrofagen een succesvolle manier is om zowel functioneel als histopathologische herstel te verkrijgen in een muismodel voor ruggenmergschade. Bijkomend hebben we het onderliggend mechanisme ontrafeld. Namelijk dat de cel injectie zorgt voor een verandering van de laesie omgeving door lokale macrofagen/microglia te beïnvloeden. Na een ruggenmergletsel zijn de schadelijke macrofagen/microglia, verantwoordelijk voor de secretie van toxische factoren en axonale retractie, namelijk in overvloed aanwezig ter hoogte van de laesie. Behandeling met de IL-13-secreterende macrofagen slaagde erin dat deze cellen hun fenotype veranderden en meer antiinflammatoir werden. Dit was geassocieerd met een neuroprotectief effect, aangezien er minder doden neuronen waren alsook minder destructieve contacten tussen macrofagen en axonen, dat zou kunnen wijzen op minder axonale retractie. Door middel van een muismodel deficiënt voor IL-13 signaling, toonden we aan dat IL-13 noodzakelijk is voor het herstel van functie. Alhoewel IL-13 geen direct effect had op neuronen, zorgde het voor een indirect neuroprotectief effect, hoogst waarschijnlijk door macrofagen/microglia modulatie. Multiple sclerosis (MS), een auto-immuun ziekte van het centraal zenuwstelsel, is net zoals ruggenmergschade gekenmerkt door een ontstekingsreactie vooral veroorzaakt door macrofagen. Daarom hebben we in hoofdstuk 5 onderzocht of de behandeling met de IL-13-secreterende macrofagen ook herstel zou kunnen induceren in een muismodel voor MS. Helaas was zowel lokale als systemische injectie met de IL-13-secreterende macrofagen niet in staat de ziekte symptomen bij de muizen te verminderen. Een tweede strategie om de inflammatie na ruggenmergschade te limiteren was door de behandeling met inhibitoren voor fosfodiësterase 4 (PDE4), die zorgen voor de afbraak van een intracellulaire molecule betrokken bij antiinflammatoire en pro-regeneratieve effecten. Algemene PDE4 inhibitoren hebben gunstige effecten na een ruggenmergletsel maar gaan gepaard met nevenwerkingen zoals misselijkheid en braken. Daarom, hebben we in deze studie gefocust op specifieke subfamilies. In hoofdstuk 6, toonden we aan dat had toediening van een PDE4B inhibitor geen effect had op herstel na een ruggenmergletsel. In tegenstelling, PDE4D inhibitie, net zoals een algemene PDE4 inhibitor, induceerde functioneel en histopathologisch herstel na ruggenmergschade in muizen. Bijkomend toonden we aan dat de algemene PDE4 inhibitor aan de dosis nodig voor herstel nog gepaard ging met nevenwerkingen, wat niet het geval was voor de PDE4D inhibitor. Het onderliggende mechanisme voor de gunstige effecten na PDE4D inhibitie moet echter nog worden ontrafeld. Samengevat, de resultaten beschreven in deze thesis tonen aan dat zowel behandeling met IL-13 alsook een PDE4D inhibitor na ruggenmergschade zorgen voor herstel van functie in muizen. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen of deze veelbelovende immuun-modulerende therapieën potentieel kunnen hebben voor patiënten met een ruggenmergletsel. Sa