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Seit der Entdeckung, dass das ZNS ein immunprivilegiertes Organ ist, wurde dies vor allem durch das Fehlen einer afferenten zellulären immunologischen Versorgung erklärt, also dem Fehlen einer zur Auswärtsmigration fähigen APZ- Population im Parenchym und der fehlenden Versorgung des ZNS mit Lymph- gefäßen. In letzter Zeit wurde dieses Erklärungsmodell sowohl prinzipiell als auch experimentell in Frage gestellt. Durch die Verwendung von transgenen Mäusen, die unter dem Promoter von CD11c GFP (green fluorescent protein) exprimieren, konnten wir zum ersten Mal im ZNS-Parenchym von gesunden Mäusen eine CD11c-positive Zellpopulation nachweisen. Diese Zellen zeigen morphologisch starke Ähnlichkeit zu DZs und sind vor allem dort zu finden, wo sich im Rahmen der MS-Erkrankung Demyelinisierungen finden lassen. Mit ihren Fortsätzen sind sie teilweise an der Bildung der glia limitans beteiligt, stehen also in enger anatomischer Beziehung zum perivaskulären Raum. In diesem Raum findet die Selektion der Lymphozyten statt, denen ein Übertritt in das ZNS ermöglicht wird. Eine Beteiligung der CD11c-positiven Zellpopulation an diesem Prozess ist wahrscheinlich. Um diese Zellen genauer zu typisieren isolierten wir mithilfe eines einheitlichen Isolationsprotokolls mononukleäre Zellen aus Gehirn, Lunge, Leber und Milz von Wildtypmäusen und untersuchten diese nach immunologischer Färbung von CD11b, CD11c, CD45, CD80, CD86, F4/80, CD103, CCR2, CX 3 CR1 und Flt 3 mittels Durchflusszytometrie. Hiermit konnten wir zeigen, dass sich in den verschiedenen Organen stark heterogene, umgebungsspezifische CD11c-positive Zellpopulationen finden. Zusammenfassend lässt sich konstatieren, dass Mikro- glia, charakterisiert durch ihre intermediäre Expression von CD45, eine äußerst geringe Expressivität von MHC-II aufweisen. Zusätzlich kultivierten wir isolier- te mononukleäre Zellen aus Hirngewebe und aus der Milz von MHC-II-eGFP Mäusen auf organotypischen Schnittkulturen, die aus dem Hippocampus (engl.: organotypical hippocampal slice cultures - OHSC), respektive der Milz (engl.: organotypical spleen slice cultures - OSSC) von Wildtyptieren gewonnen wurden. Hier konnten wir am lebenden Gewebe über einen Zeitraum von mindestens 72 Stunden mittels konfokaler Mikroskopie eine umgebungsspezifische Adaption der eingebrachten transgenen MHC-II-eGFP-positiven Zellpopulation zeigen. Aus Milzgewebe isolierte mononukleäre Zellen, die auf OHSC kultiviert wurden, ramifizierten und verringerten ihre Expression von MHC-II; wurden diese auf OSSC kultiviert, behielten sie ihre amöboide Form und zeigten eine hohe Ex- pression von MHC-II. Mononukleäre Zellen aus Hirngewebe ramifizierten auf OHSC und zeigten eine geringe Expression von MHC-II; auf OSSC blieben diese Zellen amöboid und zeigten keine signifikante Expression von MHC-II. Diese Befunde lassen den Schluss zu, dass sowohl Umgebungsfaktoren als auch der Ur- sprung dieser mononukleären Zellen ihre immunologische Funktion beeinflussen können. Um der Frage nachzugehen, welche immunologische Funktion die CD11c-positive Zellpopulation im ZNS unter neuroinflammatorischen Bedingungen besitzt und ob sich Anzeichen für eine Auswärtsmigration dieser Zellen finden lassen, verwendeten wir myeloablativ bestrahlte CD11-GFP transgene Tiere, denen wildtyp Knochenmark transplantiert wurde und in denen EAE induziert wurde. Vorangegangene Arbeiten hatten eine mechanische Zerstörung von natürlichen Barrieren, u.a. von Blutgefäßen mit ihren Endothelien, Lymphgefäßen der Haut und der Subcutis, neuronalem Gewebe, Hirnhäuten, etc., in Kauf genommen, um Farbstoffe oder Zellen einzubringen. Durch die Chimärisierung wird eine – nicht vollumfängliche – Trennung der zentralnervösen DZ-Population und ihrem systemischen Gegenstück ohne o.g. mechanische Zerstörung von physiologischen Barrieren erreicht. So kann die Mehrheit der transgener Zellen, die sich 6 bis 8 Wochen nach Chimärisierung findet, dem ZNS zugeordnet werden. Mono- nukleäre Zellen aus homogenisiertem Hirngewebe dieser Tiere wurde mittels Durchflusszytometrie nach Färbung von CD11b, CD45, CD11c, CD80, CD86, F4/80 und MHC-II untersucht. ZNS-ständige Mikroglia, in unserem Modell charakterisiert durch GFP-Positivität und die intermediäre Expression von CD45, zeigen in der Gruppe der stark erkrankten Tiere eine signifikante Erhö- hung ihrer Expression von CD11c-GFP, MHC-II und CD80. Dieses Muster der Oberflächenmarker zeigt die Fähigkeit zur Stimulation von T-Zellen. Verschie- dene Lymphknotenstationen wurden homogenisiert und mittels quantitativer PCR auf ihren Gehalt an transgener DNA hin untersucht. Hier konnten wir eine signifikante Zunahme dieser transgenen DNA in zervikalen und axillären Lymhpknoten stark erkrankter Tiere zeigen. Zusätzlich ließen sich in der Fluo- reszenzmikroskopie ramifizierte Zellen in diesen Lymphknoten finden, welche sowohl GFP als auch P2Y 12 -positiv waren. P2Y 12 ist ein rezent beschriebener Oberflächenmarker, der spezifisch für Mikroglia ist. Zusammenfassend lassen sich diese Ergebnisse dahingehend deuten, dass die CD11c-positive Population im ZNS im Rahmen eines neuroinflammatorischen Prozesses in ZNS-assoziierte Lymphknoten migrieren und dort T-Zellen stimulieren kann. Bei an MS erkrank- ten Patienten könnten diese Lymphknoten ein lohnenswertes anatomisches Ziel darstellen, um zu versuchen mittels immunmodulierender oder -suppressiver Medikamente den neuroinflammatorischen Prozess zu lindern. Auf diese Wei- se ließe sich eventuell die Effektivität dieser Medikamente erhöhen und die systemische, unerwünschte, Wirkung reduzieren.

Modulation of the endocannabinoid system by the administration of exogenous agonists and selective antagonists has been shown to have potential to attenuate the contribution of inflammation to secondary injury in the CNS. The two most well-defined receptors are the CB1 and CB2 receptors. CB2, the cannabinoid receptor expressed primarily on hematopoietic cells and activated microglia, mediates the immunoregulatory functions of cannabinoids. The involvement of CB2 in central nervous inflammation has been demonstrated by using both endogenous and exogenous ligands. We showed previously that CB2 selective agonists inhibited leukocyte rolling and adhesion to CNS microvasculature and ameliorate clinical symptom in both chronic and remitting-relapsing EAE models; and our previous studies also demonstrated therapeutic potential of CB2 agonist improving recovery following spinal cord injury in the mouse. The goal of the current investigation was to evaluate the mechanisms through which administration of a selective cannabinoid-2 (CB2) agonist modifies inflammatory responses and helps to improve function following the injury in central nervous system. In the EAE project, we showed that Gp1a, a highly selective CB2 agonist with a four log higher affinity for CB2 than CB1, reduced clinical scores and facilitated recovery in EAE in conjunction with long term reduction in demyelination and axonal loss. We also established that Gp1a affected EAE through at least two different mechanisms, i.e. an early effect on Th1/Th17 differentiation in peripheral immune organs, and a later effect on the accumulation of pathogenic immune cells in the CNS, associated with reductions in the expression of CNS and T cell chemokine receptors, chemokines and adhesion molecules. This is the first report on the in vivo CB2-mediated Gp1a inhibition of Th17/Th1 differentiation. We also confirmed the Gp1a-induced inhibition of Th17/Th1 differentiation in vitro, both in non-polarizing and polarizing conditions. The CB2-induced inhibition of Th17 differentiation is highly relevant in view of recent studies emphasizing the importance of pathogenic self-reactive Th17 cells in EAE/MS. In spinal cord injury project, we showed that spinal cord injury mice CB2 agonist O-1966 (with affinities to the CB1 and CB2 receptors of 5055±984 and 23±2.1 nM, respectively) had improved motor function, autonomic function. They also had significant reductions in CXCL-9, CXCL-11, dramatic reductions in IL-23p19 expression and its receptor IL-23r, and reduction in the number of immunoreactive microglia. The results reported in this thesis, demonstrated that the combined effect on Th17 differentiation and immune cell accumulation into the CNS, may contribute to the usefulness of CB2 selective ligands as potential therapeutic agents in neuroinflammation. / Physiology

Dans les maladies neurodégénératives comme la sclérose en plaques, la neuro-inflammation modifie l'activité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) par des altérations cellulaires et moléculaires complexes. La caractérisation de tels changements moléculaires par une approche d'étiquetage in vivo justifie la recherche d’outils de ciblage fiables et de biomarqueurs. Les stratégies pour définir in vivo ces marqueurs sont cependant compliquées par la pléthore de molécules cibles accessibles, par l’intrication des régions atteintes au sein du tissu sain et par les altérations structurales potentielles des molécules cibles étudiées par histopathologie. Le but de ce travail est de rationaliser la découverte de biomarqueurs des altérations moléculaires dans les tissus par une stratégie de sélection in vivo de répertoires de phages présentant des peptides à leur surface (phage display), les ligands présents dans les deux répertoires (sain et pathologique) étant ensuite soustraits physiquement. Cette stratégie de soustraction (« PhiSSH ») permettant d’enrichir un répertoire en ligands spécifiques est d’un intérêt majeur dans le cas de répertoires complexes tels ceux obtenus dans des sélections in vivo.Nous présentons l'application de cette stratégie dans le modèle de rat de la sclérose en plaques, l’Encéphalomyélite Autoimmune Expérimentale (EAE), où les lésions disséminées dans le système nerveux central engendrent la sélection d’une grande quantité de clones s’associant au tissu sain, par comparaison avec les rats témoins en bonne santé. L'efficacité de la technique de soustraction a été contrôlée par séquençage massif des trois repertoires, «EAE», «SAIN», et «SOUSTRACTION». Plus de 95 % des clones communs aux répertoires EAE et contrôle sont absents du répertoire de la soustraction. Un ensemble de clones de phages et des peptides synthétisés chimiquement dessinés après l’analyse bioinformatique du répertoire de soustraction a été testé a) sur des tissus de rats EAE et sains et b) sur des cellules humaines en culture (HCMEC/D3) constituant un modèle de BHE, dans des conditions inflammatoires, (activation IL- 1ß) ou non activées. Un des clones et quatre peptide testés ont montré une association spécifique sur les cellules endothéliales de BHE dans des conditions inflammatoires. Pour identifier la cible d’un phage spécifique des lésions neuro-inflammatoires, nous avons mis en œuvre un procédé de création de liaison covalente entre ce phage et les protéines exprimées par des cellules de BHE cultivées en présence d’IL-1ß, puis effectué une analyse par spectométrie de masse. La galectine-1 est apparue comme une cible potential de ce phage. La découverte de biomarqueurs spécifiques de modifications moléculaires et cellulaires de régions inflammatoires disséminées dans les tissus sains, comme c’est le cas dans la plupart des pathologies présentant une activité neuro–inflammatoire, sera facilitée par l’utilisation de la stratégie de soustraction PhiSSH décrite dans ce document. / In neurodegenerative disorders like multiple sclerosis, neuroinflammation modifies the blood brain barrier (BBB) status by causing complex cellular and molecular alterations. Characterization of such molecular changes by an in vivo labeling approach is most challenging to generate reliable in vivo targeting tools and biomarkers. In vivo strategies to define such markers are, however, hampered by the plethora of the accessible target molecules, the vicinity of diseased target expression among healthy tissue and the potentially structural alterations of target molecules when studied by histopathology. The aim of this work is to streamline the biomarker discovery of pathological molecular tissue alterations by in vivo selection of phage displayed peptide repertoires that are further submitted to physical DNA subtraction (“PhiSSH”) of sequences encoding common peptides in both repertoires (HEALTHY and PATHOLOGY). The strategy of Subtraction allows thus the enrichment of clones specific for one repertoire and is of particular interest for complex repertoires produced by in vivo selection. We present the application of this strategy in the multiple sclerosis rat model, Experimental Autoimmune Encephalomyelitis (EAE) pathology, where target lesions are disseminated in the central nervous system (CNS) generating a large amount of clones binding to healthy tissue among the recovered repertoire clones binding to the lesions by comparison with healthy control rats. The efficiency of the subtraction was monitored by massive sequencing of the three repertoires, «EAE», «HEALTHY», and «SUBTRACTION». More than 95% of the clones common to EAE and Healthy repertoires were shown to be absent from the Subtraction repertoire. A set of randomly chosen clones and synthesized peptides from the EAE and subtraction repertoires were tested for differential labeling of a) diseased and healthy animal tissues and b) an in vitro BBB model, in IL-1ß challenged and resting control state culture human cells (hCMEC/D3). One of the phage clones and 4 chemically synthesized peptides showed specific binding to brain ECs in neuro-inflammatory conditions. Using a strategy of crosslinking of an EAE specific phage clone on protein targets expressed by IL-1ß activated ECs followed by mass spectrometry, we propose hypothetically Galectin-1 as a possible target of this phage. PhiSSH will be useful for in vivo screening of small peptide combinatorial libraries for the discovery of biomarkers specific of molecular and cellular alterations untangled with healthy tissues, as in most pathologies presenting neuroinflammatory activity.

Epidemiologische Daten belegen eine Assoziation von Infektionen mit der Exazerbation von Autoimmunerkrankungen, wobei man aber die Wege, die dahin führen noch nicht voll versteht. Die gängigste Hypothese sieht die Ursache für die Entstehung von Autoimmunerkrankungen in der Kreuzreaktivität zwischen mikrobiellen und Selbst-Antigenen, die von der selben T-Zelle erkannt werden. Dieser Antigen-spezifische Mechanismus konnte allerdings bisher nicht durch die Forschung belegt werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass im Modell der experimentellen autoimmunen Enzephalitis durch die Aktivierung mit Lipopolysacchariden gramnegativer Bakterien (LPS) Schübe in normalen Mäusen ausgelöst werden können. Diese Art der Behandlung führt in-vitro zur Proliferation und zur Zytokinproduktion bei einem Teil der T-Helfer (Th)-Effektor/Gedächtniszellen. Dabei ist zwar der physische Kontakt zwischen Th-Zellen und CD4--LPS-responsiven Zellen essentiell, jedoch geschieht die Aktivierung nicht über den T-Zellrezeptor. Als entscheidend hat sich die Bindung von kostimulatorischen Rezeptoren auf Th-Zellen durch kostimulatorische Moleküle auf CD4--Zellen erwiesen. Diese Form der Bystander-Aktivierung bietet eine Antigen-unabhängige Erklärung für die Zusammenhänge von Infektion und Autoimmunität, die mit den klinischen und epidemiologischen Daten besser vereinbar ist als die Antigen-spezifischen Modelle. / Infections sometimes associate with exacerbations of autoimmune diseases through pathways that are poorly understood. Antigen-specific mechanisms such as cross-reactivity between a microbial antigen and a self-antigen have received no direct support. Here it is shown that activation by lipopolysaccharide (LPS) induces relapses of experimental autoimmune encephalitis (EAE) in normal mice. This form of treatment induces proliferation and cytokine production in a fraction of effector/memory T helper (Th) lyphocytes in vitro via physical contact of Th cells with CD4--LPS-responsive cells. TCR mediated signals are not necessary; rather what is required is ligation of costimulatory receptors on Th cells by costimulatory molecules on the CD4- cells. This form of bystander activation provides an antigen-independent link between infection and autoimmunity that might fit the clinical and epidemiological data on the connection between infection and autoimmunity better than the antigen-specific models.

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No. of bitstreams: 1 sandrabertelliribeirodecastro.pdf: 21642592 bytes, checksum: ba2c7d8539f06b1e9a8e8f3ca1c34c08 (MD5) Previous issue date: 2011-12-08 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / A Esclerose Múltipla (EM) caracteriza-se por ser uma doença inflamatória crônica desmielinizante do Sistema Nervoso Central (SNC), que afeta aproximadamente um milhão de pessoas em todo o mundo. Entre os agentes terapêuticos aprovados atualmente para o tratamento da EM podemos citar o interferon beta (IFN-β) e o acetato de glatirâmer, entretanto, estes agentes não promovem a cura da doença ou a recuperação total dos pacientes que estão em fase avançada. Diversos estudos demonstram a propriedade que os hormônios sexuais, como o estradiol e progesterona possuem em diminuir a gravidade da Encefalomielite Autoimune Experimental (EAE). Estruturalmente, as isoflavonas compartilham muitas similaridades com os estrógenos endógenos. Estudos realizados com genisteína mostram os efeitos benéficos deste isoflavonóide na EAE. Entretanto, alguns fatores limitam sua aplicação clínica, como por exemplo, sua rápida excreção e declínio dos níveis séricos, sendo que estas características podem estar relacionadas à sua estrutura química. Dentro deste contexto, este trabalho teve por objetivo avaliar o efeito de sete derivados lipofílicos da genisteína na modulação da resposta in vitro de macrófagos murinos J774.A1 ativados com lipopolissacarídeo e IFN-g, e verificar a atuação de um análogo selecionado na etapa in vitro na modulação da resposta imune in vivo no modelo de EAE. Na etapa in vitro foi avaliada a citotoxicidade dos compostos, no sobrenadante da cultura foram dosados óxido nítrico, IL-12 e TNF-α. Na etapa in vivo foi investigado o uso do derivado da genisteína 3 (7-Otetradecanoil-genisteína – TDG) na evolução da EAE induzida em camundongos C57Bl/6 através da aplicação do MOG35–55. No 14° dia após a indução com o MOG, os camundongos foram tratados com TDG por sete dias. No 21° dia após a indução, as porcentagens de células mononucleares isoladas de cérebro expressando marcadores de superfície (CD4+, CD3+ e CTLA-4) e produzindo citocinas IL- 17+CD4+, IL-10+CD4+ ou fator de transcrição Foxp3+CD4+ foram determinadas por citometria de fluxo. A concentração de IL-6, IFN-γ e IL-10 em macerado de cérebro e medula foram determinadas por ELISA. As análises histológicas de cérebro e medulas foram realizadas por coloração de Hematoxilina e Eosina. Os resultados apresentados indicam que a modificação estrutural da genisteína originou derivados não citotóxicos, com elevada capacidade de inibir a concentração de IL-12. Entretanto, estes derivados da genisteína não foram capazes de inibir TNF-α. A produção de NO foi significativamente inibida pelos derivados monoésteres (2,3) e monoéter (6,7) de maneira dose-dependente. Os dados obtidos in vivo indicam que o tratamento com o TDG melhora os sinais clínicos da EAE e isto pode ser correlacionado com uma redução na porcentagem de células produzindo IL-17 e um aumento de células Foxp3+CD4+ no cérebro. Além disso, o tratamento com o TDG aumentou a liberação de IL-10 e a expressão de CTLA-4 além de reduzir a liberação de IFN-γ e IL-6. Desta forma, os dados sugerem um papel imunomodulatório do TDG na EAE e possivelmente na EM / Multiple Sclerosis (MS) is a severe and disabling chronic autoimmune inflammatory demyelinating disease of the central nervous system (CNS), that affect around one million people at entire world. Among the therapeutic agents currently approved for the treatment of MS can be cited the interferon beta (IFN-β) and the glatiramer acetate, however, these agents do not promote the cure or full recovery of patients in advanced stages. Several studies showed that hormones, such as estradiol and progesterone, could reduce the severity of experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). The isoflavones share many structural similarities with endogenous estrogens. Studies with genistein showed the beneficial effects of isoflavones in EAE. However, the chemical structure of genistein has characteristics that limit its clinical application, such as rapid excretion and decreased serum levels. This study aimed evaluate the effect of seven lipophilic derivatives of genistein in the modulation of in vitro response of murine J774A.1 macrophages activated with lipopolysaccharide and IFN-g, and verify the performance of one in vitro selected analogue on modulating in vivo the immune response in EAE. The lipophilic derivatives were evaluated in LPS+IFN-g-activated J774A.1 macrophage cultures to their effects on cytotoxicity and nitric oxide, IL-12 and TNF-α production. The effects of the selected genistein derivative 3 (7-O-genistein-tetradecanoil - TDG) on the development of EAE induced in C57BL/6 mice immunized with MOG35-55 were performed. At 14th day after induction, mice were treated with TDG for seven days. At 21st day the percentage of mononuclear cells isolated from brains expressing CD4+, CD3+, CTLA-4+ and Foxp3+ and producing IL-17+ and IL-10+ were determined by flow cytometry. The concentration of IL-6, IFN-g and IL-10 in brain and spinal cord were determined by ELISA. Histological analysis of brain and spinal cord were performed by hematoxylin and eosin staining. The results showed that the modification of genistein enables the generation of non-cytotoxic compounds with increased IL-12 inhibition, despite of failed TNF-α inhibition. The NO production was inhibited by the monoester (2,3) and monoether (6,7) compounds in a dose-dependent manner. The in vivo data indicated that treatment with TDG improved the clinical signs of EAE which can be correlated with a reduction in the percentage of cells producing IL-17 and the increment of Foxp3+CD4+ cell population at brain. Furthermore, treatment with TDG increased the release of IL-10 and expression of CTLA-4 and reduced the release of IFN-g and IL-6. Altogether, the data suggest an immunomodulatory role of the TDG in EAE and possibly MS.