La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie touchant spécifiquement les motoneurones (MN) qui se caractérise par la perte précoce des jonctions neuromusculaires (JNMs) et menant à une paralysie musculaire. La dénervation des JNMs des muscles squelettiques se produit en amont de la mort des MN de la moelle épinière. Des études récentes publiées ont révélé une altération de la transmission synaptique, une instabilité de la morphologie des JNMs ainsi que des mécanismes de réparations de la JNMs inappropriés dans le modèle SOD1, et ce avant l’apparition des symptômes moteurs. De manière intéressante, ces mécanismes sont régulés par les cellules de Schwann périsynaptiques (CSPs), la cellule gliale présente à la JNM suggérant ainsi que l’altération des fonctions des CSPs peut contribuer à la vulnérabilité des JNMs. Tandis que de nombreuses études ont démontré une susceptibilité à la dénervation qui est dépendante du type d’unité motrice (UM), l’innervation des muscles extraoculaires (EOMs) montre une importante résistance à la progression de la maladie. Afin d’investiguer les distinctions dans les JNMs des EOMs menant à cette résistance, nous avons procédé à une analyse de la morphologie des JNMs via microscopie confocale, nous avons étudié les propriétés fonctionnelles des CSPs par imagerie calcique ainsi qu’effectuer une analyse différentielle du protéome entre les JNMs résistantes de l’EOM et les JNMs vulnérables du soleus (SOL) ou de l’extensor digitorum longus (EDL) dans la souris SOD1G37R. Peu de dénervation des JNMs et aucune altération des JNMs sont observées dans l’EOM à un stade tardif de la maladie. Contrairement aux muscles vulnérables, la sensibilité des CSPs suite à l’application locale d’ATP et de muscarine n’est pas altérée dans les EOM. L’analyse du protéome entre l’EDL et l’EOM au stade symptomatique démontre des fonctions cellulaires distinctes. Dans l’EDL, au stade symptomatique, les cascades cellulaires catabolique et reliée au protéosome sont augmentées : reflétant le processus de dénervation en cours dans ce muscle. Dans l’EOM, une diminution de l’expression de SOD1 muté, une augmentation des processus d’oxydoréductions, des protéines importantes pour maintien du repliement des protéines, des neurofilaments ainsi qu’une expression distincte des enzymes régulant les neurotransmetteurs est observée dans les JNMs résistantes. Ainsi, comprendre les fonctions des CSPs ainsi que les profils d’expression protéomique distincte entre les JNMs vulnérables et résistantes durant la progression de la maladie peut nous fournir des informations sur les mécanismes impliqués durant la dénervation et aider à identifier les protéines potentielles qui peut favoriser la réparation et l’intégrité des JNMs. Ainsi, cette étude peut mener à l’identification de biomarqueur musculaire et de cible thérapeutique potentielle pour des perspectives curatives futures. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a motor neuron (MNs) disease characterized by the precocious loss of neuromuscular junctions (NMJs) and muscular paralysis. The denervation of NMJs at striated muscles is an early event that occurs before the loss of spinal cord MNs. Recent data revealed an alteration of synaptic transmission, morphological instability and inappropriate repair in NMJs of SOD1 mice model prior to motor symptoms. Interestingly, these mechanisms are known to be regulated by Perisynaptic Schwann cells (PSCs), glial cells at NMJs, suggesting that the alteration of PSC functions may contribute to NMJ vulnerability. While numerous studies demonstrated a motor unit type-dependent susceptibility to denervation, the extraocular muscles (EOM) innervation shows a prominent resistance to disease progression. We hypothesized that PSCs functions and intrinsic properties at extraocular NMJs contribute to the resistance of the disease progression. NMJ morphological analysis by immunostaining and confocal imaging, functional properties of PSCs by calcium imaging and a differential proteomic analysis using Tandem Mass Tags coupled to quantitative mass spectrometry was performed between the resistant EOM and the vulnerable, soleus (SOL) or Extensor digitorum longus (EDL) muscles in SOD1G37R mice. Fewer denervated NMJs and no alteration of NMJ integrity was observed in the EOM in comparison to the EDL. Sensitivity of EOM PSC to local application of ATP and muscarine are not altered in the EOM SOD1G37R in comparison to WT suggesting an adequate decoding of synaptic activity of PSC. Proteomics analysis between EDL and EOM at symptomatic stage demonstrates distinct cellular pathway. In the EDL, at symptomatic stage, catabolism and proteasome cellular pathways are upregulated reflecting the undergoing denervation processes observed. In the EOM, overall lower expression of SOD1, up-regulation of oxidoreduction process, of mechanism against protein unfolding, of neurofilament and distinct expression of enzymes regulating neurotransmitter homeostasis is observed in the resistant NMJ. Understanding PSC functions and investigating the distinctive protein expression profile between vulnerable and resistant NMJs during disease progression will help provide insights into the denervation mechanisms involved and help identify potential proteins that could favor NMJ repair and integrity. Also, this study may lead to the identification of muscle biomarkers and potential therapeutic targets moving toward curative perspectives.

Orbitale Erkrankungen stellen für mehrere klinische Fachdisziplinen in Bezug auf Diagnostik und Therapie ein großes Problem dar. Die hochauflösende MRT (HR-MRT) ist in der Lage, eine detailierte Übersicht für die Orbitaanatomie und deren Abnormalitäten zu liefern. Aus diesem Grunde ist diese Studie durchgeführt worden, in der hochauflösenden MRT-Charakteristika von 224 Patienten mit orbitalen Erkrankungen beurteilt worden ist. Die Kriterien der Beurteilung sind: Lokalisation, Größe, Form, Rand, Ausdehnung und Veränderung der Nachbarstrukturen sowie die Signalintensitäten der Erkrankungen. Die Lokalisationskriterien sind sehr nützlich für die Differentialdiagnose orbitaler Erkrankungen der Augenmuskeln, dem extrakonalen und subperiostalen Kompartiment mittels der HR-MRT mit Oberflächenspule. Durch die Zuordnung zu einem Kompartiment kann die Differentialdiagnose grob eingeengt werden. Das subperiostale Kompartiment kann in Sinus, Meningen, orbitalen Knochen und subperiostalen Spaltraum weiter unterteilt werden. Mukozelen und Nasennebenhöhlentumoren sind nur in den Sinus zu finden, sämtliche Keilbeinmeningeome weisen einen Befall der Meningen auf. 83,3% Epidermoide und Dermoide liegen im orbitalen subperiostalen Raum mit einer engen Nachbarschaft zu einer Sutur. Die meisten Muskelbefälle der endokrinen Orbitopathie betreffen den inferioren und medialen geraden Muskel, die Verdickung des Muskelbefalls ist typischerweise nur im Muskelbauch ohne Muskelsehnebefall. Myositiden haben häufiger einen Muskelsehnebefall. Wenn eine Verdickung eines einzelnen Muskels den M. rectus lateralis betrifft, ist die Diagnose einer endokrinen Orbitopathie nicht wahrscheinlich. Rhabdomyosarkome liegen häufig im oberen inneren Quadranten der Orbita. Lymphome liegen meistens im frontalen Anteil des extrakonalen Kompartiment in Nachbarschaft zum Septum orbitale. Für eine weitere Differentialdiagnose sollen die morphologischen Kriterien verwendet werden. Auch die Große, Form und der Rand der orbitalen Erkrankungen können den wichtigen Hinweis zur Differentialdiagnose liefern. Ein reduziertes Muskelvolumen ist bei der Muskelatrophie und dem Trauma mit Muskel Einklemmung gesehen worden. Bei 11 von 128 endokrinen Orbitopathien ist das Volumen normal. Die meiste Erkrankungen gehen mit einer Volumenzunahme einher. Keilbeinmeningeome, Karziome der Nasennebenhöhlen, Rhabdomyosarkome und Lymphome haben große Volumina. Myositis und endokrine Orbitopathie mit Muskelbefall haben meist geringe oder mittlere Volumenzunahmen. Mukozelen, Epidermoid, Dermoid, Metastasen und Hämangiom können in allen Größenstufen gefunden werden. Epidermoide, Dermoide, Mukozelen, Hämangioperizytome, Hämangiome, Rhabdomyosarkome und Metastasen haben meist runde oder elliptische Formen, eine längliche Form wird bei orbitaler Myositis und endokriner Orbitopathie mit Muskelbefall beobachtet. Karzinome der Nasennebenhöhlen, Keilbeinmeningeome, Lymphome, endokrine Orbitopathie mit Fettbefall, Pseudotumoren und Phlegmone zeigen sich unregelmäßige Formen. Epidermoide, Dermoide, Mukozelen, Myositis, endokrine Orbitopathie, Hämangiome und Hämangioperizytome haben meistens einen scharfen Rand. Dagegen weisen Karziome der Nasennebenhöhlen, Lymphome, Keilbeinmeningeome, Rhabdomyosarkome, Metastasen, Pseudotumoren und Phlegmonen undeutliche Ränder auf.Die Verwendung der MRT-Signalintensit?ten zur Diffenrenzierung ist eingeschränkt, weil die meisten Läsionen sehr ähnliche Signalintensitäten zeigen. Es gibt aber einige Läsionen, die aufgrund ihrer Zusammensetzung besondere Signalintensitäten aufweisen, z.B. Blutungen, Melanin (paramagnetisch), Fett, Proteine, Wasser und Nekrosen. Mit einer Kontrastmittelgabe und dem Verhalten des Enhancements kann eine weitere Charakterisierung erfolgen. Bei den Veränderungen der Nachbarstrukturen sind vor allem die Knochenveränderungen am aussagekräftigsten. Epidermoide, Dermoide und Mukozelen sind meist mit Knochendefekten oder Kompressionsveränderungen verbunden, Keilbeinmeningeome stehen eng in Zusammenhang mit Knochenhyperplasien, Nasennebenhöhlenkarzinome sind immer mit Knochendestruktionen verbunden und Frakturen werden nur bei Traumata gesehen. Die raumfordernde Wirkung von Lymphomen ist nicht sichtbar, denn hier zeigt sich eine Diskrepanz zwischen einer oft charakteristischen, ausgedehnten Infiltration und nur einer geringen Verlagerung anderer Orbitastrukturen. Die klinische Krankengeschichte ist auch wesentlich zur Findung der Differentialdiagnose. Alle hier untersuchten Patienten mit Phlegmone und Trauma haben besondere Krankengeschichten. 70% Patienten mit Metastasen haben einen gesicherten Primärtumor in der Krankengeschichte. Alle Patienten mit endokriner Orbitopathie haben in der Anamnese eine Schilddrüsenerkrankung. Von diesen Patienten sind etwa 80% weiblich und 73% zwischen 30 und 60 Jahre alt. Rhabdomyosarkome treten hauptsächlich in der Kindheit auf. Pseudotumoren sprechen schnell und außerordentlich gut auf Steroidtherapien an. Somit kann eine Verbindung von Anamnese und MRT-Bildgebung wertvolle Informationen zur Differentialdiagnose liefern.Zur Differenzierung endokriner Orbitopathie und Myositis ist es nützlich die Lokation des Muskelbefalls (unilateral oder bilateral, Muskelsehne- oder Muskelbauchbefall, Einzelbefall oder Befall mehrerer Muskeln und Bevorzugung bestimmter Muskeln), die Ausdehnung (mit oder ohne Fettbefall), die Verlagerung des Augapfels, MRT-Signalintensitäten und die zeitliche Anamnese zu berücksichtigen. Zur Differenzierung Rhabdomyosarkom und Lymphome sollen das Alter, die Form der Läsionen und der Muskelbefall berücksichtigt werden. Zur Differenzierung zwischen Metastasen und Hämangiome können ihre klinische Krankengeschichte (mit oder ohne frühere Tumoren), der Rand der Läsionen, Muskelbefall und ihr MRT-Signal und das Ausmaß des Enhancements wertvolle Informationen liefern. Die einzige Differenzierungsmöglichkeit zwischen Epidermoid und Dermoid ist die MRT-Signalintensität (fettiger oder wässriger Inhalt der Läsion). Die Lokation ist am wichtigsten für die Differenzierung zwischen Epidermiod und Mukozelen. Für eine Differenzierung zwischen Keilbeinmeningeomen und Masennebenhöhlenkarzinome können ihre Lokationen, ihre Signalintensität, das Kontrasmittelverhalten und Veränderungen der Nachbarstrukturen den wichtigen Hinweis liefern. / The clinical diagnosis of orbital diseases is especially difficult because of the variety of tissues that built up the orbit and present with similar clinical presentation. High-resolution MRI (HR-MRI) has become an important modality for evaluation of the orbital diseases, due to its superb soft tissue resolution, direct multiplanar capability and lack of ionizing radiation. In this study, 224 patients with pathologically identified orbital diseases were evaluated retrospectively. The imaging characteristics of the orbital diseases on HR-MRI with surface coil were assessed. The analyzed criteria were: location, size, shape, margins, extension, adjacent structure, and signal intensity. Locazilation criteria in muscles, extraconal and subperiosteal compartments are very useful in the differential diagnosis of orbital tumors and other disease. If their locations are subdivided into greater detail, the differential diagnosis will be narrowed considerably. For example, the subperiosteal compartment can be subdivided into sinus, meninges, bone and subperiosteal space. Mucocele and carcinoma of nasal sinuses always occur in the nasal sinuses. Sphenoidal meningiomas occur in the meninges, and epidermoid and dermoid are found to 83.3% in the orbital subperiosteal space near the bone sutures and show bony defects or thinning and sclerosis. The most frequently involved muscles in thyroid orbitopathy are the inferior rectus and the medial rectus muscles. Typically, the muscle enlargement involves the muscle belly and spares its tendinous portion. While orbital myositis most frequently involves the lateral rectus muscles in particular the muscles' tendon. When isolated lateral rectus muscle enlargement is present, another etiology rather than thyroid orbitopathy should be considered. Within the extraconal compartment the upper inner quadrant is the most common site of rhabdomyosarcoma. While lymphomas mostly occur in the anterior orbit, posterior to the orbital septum. For further differentiation, morphological criteria can be employed, such as the size, shape, and margin help to make the differential diagnosis. Reduced muscle volume is characteristic in the atrophic muscle. The shortened muscle length occurs in traumas connected with muscle incarcerations. Disease without volume changes may happen in thyroid orbitopathy with the involvement of the muscle or the fat tissue. All the other diseases have a enlarged volume of lesion. The size of Sphenoidal meningioma, carcinoma of nasal sinuses, lymphoma and rhabdomyosarcoma is greatly enlarged. While the size-distribution of mucoceles, epidermoids and dermoids show no difference. But orbital myositis and thyroid orbitopathy have slight to moderate enlarged volume of involved muscles. Concerning the pathology shape mucoceles, dermoids, epidermoids, haemangiomas, and metastases are round or elliptical. The orbital myositis and thyroid orbitopathy with muscle involvement show long shapes. Lymphomas and the thyroid orbitopathy with fat tissue involvement have mostly irregular shapes. The poor-defined margin is often seen in malignant lesions, infections or inflammations, such as a paranasal carcinomas, lymphomas, rhabdomyosarcomas, pseudotumors and phlegmon. While the sharp delineation suggests a benign process, such as a mucocele, dermoid, epidermoid, haemangioma, thyroid orbitopathy and myositis. The use of MRI signal intensity for a differential criterion may be limited, because most diseases have the same signal intensity on MR imaging. Thus it seems to be that signal intensity patterns are usually not specific for the differentiating of diagnose. However, MRI may have some specificity for certain lesions based on signal intensity patterns, especially in those containing hemorrhage, paramagnetic melamin, fat, protein, water, enlarged vessels, and necrosis. With contrast enhancement MRI further contributes to the characterization of various types of lesions within the orbit. It can be made a definitive diagnosis for the dermoid (contains fat), cholesterolcyste, meningioma, lymphangioma (contain hemorrhage), haemangioma, metastasis of melanoma, thyroid orbitopathy with active edema and chronic fibrosis, hematoma and emphysema due to a trauma. Another criterium is the adjacent structure changes. Out of them, the bone changes are very important. Epidermoid, dermoid, and mucocele are often accompanied by bone defects or pressure changes. The sphenoidal meningioma is frequently accompanied by bone hyperplasia. Bone fractures are seen in traumas. Malignant tumors are almost associated with bone destruction when they involve the orbit, e.g., the carcinoma of the nasal sinuses. The effect of occupying space in lymphomas causes mismatch with the size, which often has greater volume. It mostly infiltrates tissue, but it seldom produces mechanical shift to adjacent structures. Clinical history is essential and occasionally it provides a clue that alters the boundary of differential diagnoses and redirects the investigation toward possibilities that had not been previously entertained. Patients with metastases have a definite primary tumor history to 70%. The knowledge of previous malignancy is important for the diagnoses of orbital metastasis. All the patients with thyroid orbitopathy, phlegmon, pseudotumor and trauma have also special clinical histories or symptoms. The rhabdomyosarcoma and capillary hemangioma are the most common orbital tumors in children, while the cavernous hemangioma is the most common orbital vascular tumor in adults. Thyroid orbitopathy occurs with highest prevalence in females with middle age. Orbital pseudotumors usually show a dramatic resolution under steroid therapy. In fact, its final diagnosis is often based on response to steroids. When combined with clinical history and examination, radiologic imaging can provide valuable information regarding the diagnosis and differential diagnoses. For the differentiation of the thyroid orbitopathy and myositis it is useful to take their locations (unilateral or bilateral, tendon involvement or not, single or multiple muscles involvement, and which muscles involvement), sizes, extensions (with or without fat-infiltration), and MRI signal intensities into account; For the differentiation of rhabdomyosarcomas and lymphomas clinical history (ages), the shape of the lesions, and the adjacent structure changes (muscles infiltration) are of diagnostic interest. Clinical history (with or without previous malignancy), the margin of the lesion, their adjacent structure changes (muscles infiltration), and MRI signal intensities help to discriminate between metastases and hemangiomas. The only difference between epidermoid and dermoid is their MRI signal intensities (with or without fat). Location is important to differentiate the epidermiod and mucocele. Locations, adjacent structure changes and MRI signal intensities can provide valuable information to distinguish between sphenoidal meningioma and carcinoma of nasal sinuses. The different shape, margin, adjacent structure change, and MRI signal intensity between the carcinoma of nasal sinuses and mucocele are of diagnostic help.

Background: Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a late-onset progressive neurodegenerative disorder. ALS has been traditionally believed to be primarily a motor neuron disease. However, accumulating data indicate that loss of contact between the axons and the muscle fibres occurs early; long before the death of motor neurons and that muscle fibres may initiate motor neuron degeneration. Thus, the view of ALS is changing focus from motor neurons alone to also include the muscle fibres and the neuromuscular junctions (NMJs). While skeletal muscles are affected in ALS, oculomotor disturbances are not dominant features of this disease and extraocular muscles (EOMs) are far less affected than limb muscles. Why oculomotor neurons and EOMs are capable to be more resistant in the pathogenetic process of ALS is still unknown. The overall goal of this thesis is to explore the pathophysiology of ALS from a muscle perspective and in particular study the expression and distribution of key neurotrophic factors (NTFs) and Wnt proteins in EOMs and limb muscles from ALS donors and from SOD1G93A transgenic mice. Comparisons were made with age-matched controls to distinguish between changes related to ALS and to ageing. Results: Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF), neurotrophin-3 (NT-3) and neurotrophin-4/5 (NT-4) were present in EOMs and limb muscles at both mRNA and protein levels in control mice. The mRNA levels of BDNF, NT-3 and NT-4 were significantly lower in EOMs than in limb muscles of early and/or late control mice, indicating an intrinsic difference in NTFs expression between EOMs and limb muscles. qRT-PCR analysis showed significantly upregulated mRNA levels of NT-3 and GDNF in EOMs but significantly downregulated mRNA levels of NT-4 in limb muscles from SOD1G93A transgenic mice at early stage. The NTFs were detected immunohistochemically in NMJs, nerve axons and muscle fibres. The expression of BDNF, GDNF and NT-4 on NMJs of limb muscles, but not of EOMs, was significantly decreased in terminal stage ALS animals as compared to the limb muscles of the age-matched controls. In contrast, NTFs expression in intramuscular nerve axons did not present significant changes in either muscle group of early or late ALS mice. NTFs, especially BDNF and NT-4 were upregulated in some small-sized muscle fibres in limb muscles of late stage ALS mice. All the four Wnt isoforms, Wnt1, Wnt3a, Wnt5a and Wnt7a were detected in most axon profiles in all human EOMs with ALS, whereas significantly fewer axon profiles were positive in the human limb muscles except for Wnt5a. Similar differential patterns were found in myofibres, except for Wnt7a, where its expression was elevated within sarcolemma of limb muscle fibres. β-catenin, a marker of the canonical Wnt pathway was activated in a subset of myofibres in the EOMs and limb muscle in all ALS patients. In the SOD1G93A mouse, all four Wnt isoforms were significantly decreased in the NMJs at the terminal stage compared to age matched controls. Conclusions: There were clear differences in NTF and Wnt expression patterns between EOM and limb muscle, suggesting that they may play a role in the distinct susceptibility of these two muscle groups to ALS. In particular, the early upregulation of GDNF and NT-3 in the EOMs might play a role in the preservation of the EOMs in ALS. Further studies are needed to determine whether these proteins and the pathways they control may be have a future potential as protecting agents for other muscles.