Close interaction between oligodendrocytes and axons is essential to initiate myelination and to form specialised domains along myelinated fibres. These domains are characterised by the assembly of protein complexes at the axon-glia interface and key components of these complexes are the Neurofascins. Neurofascins are transmembrane glycoproteins belonging to the L1 subgroup of the Immunoglobulin (Ig) superfamily of cell adhesion molecules. The Neurofascin (Nfasc) gene is subject to extensive alternative splicing. Two of the best characterised isoforms are Nfasc155 and Nfasc186, which are expressed in glia and neurons respectively. In myelinated fibres, Nfasc186 is the predominant isoform expressed at nodes of Ranvier and axon initial segments (AIS) in both the central and peripheral nervous system (CNS and PNS), whereas Nfasc155 resides on the glial side of the paranodal axoglial junction. The Neurofascin gene has been inactivated by homologous recombination and Neurofascin-null mice die within the first week of postnatal life. The main focus of this work was to investigate the role of the Neurofascins in the developing CNS. Similarly to what has been previously observed in the PNS, this study shows that in myelinated fibres of the spinal cord, nodal and paranodal markers are mislocalised and axoglial junctions do not form in the absence of the Neurofascins. In contrast to the PNS, where ensheathment of axons is unaffected, myelin proteins in the CNS are greatly reduced in the mutant. This appears to be due to the reduced ability of oligodendrocyte myelinating processes to extend along axons. This work also shows that the role of Nfasc186 is to maintain the long term stability of the AIS rather than its assembly. In the PNS, Nfasc186 was found to play an essential role in node assembly. However, PNS and CNS nodes are likely to assemble by different mechanisms. To investigate the relative contribution of the Neurofascin isoforms in CNS node assembly, this work made use of transgenic lines in which either neuronal Nfasc186 or glial Nfasc155 was expressed on a Neurofascin null background. Expression of either isoform was found to independently rescue the nodal complex and a model of how the Neurofascins cooperate in the assembly of the CNS node of Ranvier is proposed.

Cochlear implants (CIs) are prosthetic devices used to partially restore hearing for profound and severely deaf individuals. CIs convert sounds into electrical pulses which stimulate the auditory nerve fibers. An accurate model of auditory nerve fibers (ANFs) would help in improving the functionality of CIs. Previous studies have shown that the original Hodgkin-Huxley (1952) model (with kinetics adjusted for mammalian body temperature) may be better at describing nodes of Ranvier in ANFs than models for other mammalian axon types. However, the Hodgkin-Huxley model is still unable to explain a number of phenomena observed in auditory nerve responses to CI stimulation, such as short-term and long-term adaptation, the time-course of relative refractoriness, and stimulus-dependent random fluctuations in membrane threshold. Recent physiological investigations of spiral ganglion cells have shown the presence of a number of ion channel types not considered in the previous modelling studies, including low-threshold potassium (𝐼^KLT) channels and hyperpolarization-activated cation (𝐼^h) channels. In this thesis, inclusion of these ion channel types in a stochastic Hodgkin-Huxley model is investigated. Four versions of the model are formed and compared: that is, the standard Hodgkin-Huxley model, the standard model with /h only added, the standard model with 𝐼^KLT only added, and finally, the standard model with both h and 𝐼^KLT added. Two group of responses are explored: i) single-pulse responses and ii) pules-train responses. For the single pulse responses, a charge-balanced biphasic stimulus pulse is used. The effect of varying the pulse-width and the interphase gap is investigated for both leading phase polarities. Results are compared to responses for single monophasic stimulus pulses in some cases. Pulse-train responses are investigated for charge-balanced depolarizing-phase leading biphasic pulses at rates of 200, 800, and 2000 pulse/s. Results from single-pulse responses show an increase in spike threshold when one or both of these channel types are included. The addition of 𝐼^KLT increases random threshold fluctuations in the stochastic model, particularly for longer pulse widths. For pulse-train responses, rapid adaptation in spike rate may be resulting from 𝐼^KLT whereas 𝐼^h produces slower "short-term" adaptation. Thus, the simulation results suggest that including 𝐼^KLT and/or 𝐼^h in a Hodgkin-Huxley model improves the accuracy of the model in describing auditory nerve fiber responses during cochlear implant stimulation. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Autoantibodies against proteins of the node of Ranvier have been identified in a subset of patients with chronic inflammatory demyelinating polyradiculoneuropathy (CIDP). Main antigens targeted by autoantibodies are the paranodal proteins contactin 1 (CNTN1), neurofascin (NF) 155 or contactin associated protein (Caspr) as well as the nodal NF186. Several studies investigated the role of anti-paranodal autoantibodies in the pathophysiology of CIDP leading to the current knowledge that immunoglobulin G (IgG)4 deposition leads to detachment of myelin from the axon at the paranodes. However, many questions remain unsolved. Thus, autoantibodies against NF155 have been well studied and their pathogenicity has been proven in an animal model in vivo. However, in some patients, autoantibodies against all isoforms of NF are detectable. These anti-pan-NF autoantibodies occur more rarely and lead to a very severe clinical phenotype. As the pathogenesis of patient-derived autoantibodies against pan-NF has never been investigated in vivo before, we used an animal model to study the effect of acute exposure to anti-pan-NF IgG3 by intraneural injections to the rat sciatic nerve. In addition, we used anti-NF155 IgG4 from a seropositive patient. Behavioral testings as well as nerve conduction studies did not re- veal any deficits after injected neither for anti-NF155 nor for anti-pan-NF autoantibodies. This leads to the suspicion that the disease is more likely induced by a chronic process. A common symptom in patients with anti-CNTN1 associated neuropathy is sensory ataxia and therefore, an involvement of dorsal root ganglia (DRGs) is hypothesized. We show that sera from anti-CNTN1 positive patients specifically bind to DRG neurons in vitro and reduce surface expression of CNTN1. This is most probably due to internalization mediated by coexisting IgG3 although IgG4 is the predominant subclass of autoantibodies. As it is known that CNTN1 interacts with the β1 subunit of specific sodium channels we analyzed channel expression and sodium currents of DRG neurons after incubation with anti-CNTN1 positive patients’ sera. We identified reduced sodium currents after long-term treatment with patients’ material although surface channel expression remained stable. We therefore concluded that CNTN1 might influence channel properties indirectly through auxiliary β1 subunits. Moreover, we suggest an involvement of DRG neurons in the pathogenesis of anti-CNTN1 associated CIDP as medium-large size neurons are more affected than small neurons. However, the exact mechanism of how anti-CNTN1 autoantibodies influence sodium channels should be subject of further studies. Furthermore, preliminary results indicate that the epitope for anti-CNTN1 autoantibodies from seropositive patients might be associated with distinct clinical features. We could show that autoantibodies might be either directed against a conformational epitope as binding is prevented after deletion of the first immunoglobulin (Ig) domain of CNTN1 or against the fibronectin type III (FnIII) domains. Strikingly, both patients with FnIII do- main specificity had very high titers of anti-CNTN1 autoantibodies and a chronic disease progression, whereas patients binding to a conformational epitope or to the Ig domains are related to a relapsing-remitting or even monophasic disease course. However, these results need to be further confirmed before a clear statement can be made. In conclusion, the present study contributes to elucidate the pathogenesis of peripheral neuropathies associated with anti-paranodal autoantibodies. However, further studies are required including a higher number of patients as well as considering effects on structures like DRGs besides the node of Ranvier to fully understand the disease mechanisms. / Autoantikörper gegen Proteine des Ranvierschen Schnürrings wurden bei einer Untergruppe von Patienten mit chronisch inflammatorischer demyelinisierender Polyradikuloneuropathie (CIDP) identifiziert. Antigene, gegen die sich die Autoantikörper hauptsächlich richten, sind die paranodalen Proteine Contactin 1 (CNTN1), Neurofascin (NF) 155 oder das Contactin-assoziierte Protein (Caspr) sowie das nodal exprimierte NF186. Mehrere Studien untersuchten die Rolle von anti-paranodalen Autoantikörpern in der Pathophysiologie der CIDP, was zu der aktuellen Erkenntnis führte, dass Immunglobulin G (IgG) 4-Ablagerungen die Ablösung des Myelins vom Axon an den Paranodien zur Folge haben. Viele Fragen bleiben jedoch ungelöst. So sind Autoantikörper gegen NF155 gut untersucht worden und ihre Pathogenität wurde in einem Tiermodell in vivo nachgewiesen. Bei einigen Patienten sind jedoch Autoantikörper gegen alle Isoformen von NF nachweisbar. Diese anti-pan-NF-Autoantikörper treten seltener auf und führen zu einem sehr schweren klinischen Phänotyp. Da die Pathogenese von Autoantikörpern gegen pan-NF bisher nicht in vivo untersucht wurde, haben wir in einem Tiermodell die Wirkung der akuten Exposition von anti-pan-NF IgG3 durch intraneurale Injektionen in den Ischiasnerv der Ratte untersucht. Zusätzlich verwendeten wir anti-NF155 IgG4 von einem seropositiven Patienten. Verhaltenstests sowie Nervenleitfähigkeitsuntersuchungen zeigten weder nach Injektion von anti-NF155 noch von anti-pan-NF-Autoantikörpern Defizite. Dies lässt den Verdacht aufkommen, dass die Erkrankung eher durch einen chronischen Prozess ausgelöst wird. Ein häufiges Symptom bei Patienten mit anti-CNTN1-assoziierter Neuropathie ist die sensorische Ataxie, weshalb eine Beteiligung der Spinalganglien vermutet wird. Wir zeigen, dass Seren von anti-CNTN1-positiven Patienten in vitro spezifisch an Spinalganglion- Neurone binden und die Oberflächenexpression von CNTN1 reduzieren. Dies ist höchstwahrscheinlich auf eine Internalisierung zurückzuführen, die durch koexistierendes IgG3 vermittelt wird, obwohl IgG4 die vorherrschende Subklasse der Autoantikörper ist. Da bekannt ist, dass CNTN1 mit der β1-Untereinheit von spezifischen Natriumkanälen interagiert, haben wir die Kanalexpression und die Natriumströme von Spinalganglion-Neuronen nach Inkubation mit anti-CNTN1-positiven Patientenseren analysiert. Wir stellten reduzierte Natriumströme nach Langzeitbehandlung mit Patientenmaterial fest, obwohl die Oberflächenkanalexpression stabil blieb. Daraus schlossen wir, dass CNTN1 die Kanaleigenschaften möglicherweise indirekt über die β1-Untereinheiten beeinflusst. Darüber hinaus legen wir eine Beteiligung von Spinalganglion-Neuronen an der Pathogenese der anti-CNTN1-assoziierten CIDP nahe, da mittelgroße bis große Neurone stärker betroffen sind als kleine Neurone. Der genaue Mechanismus, wie anti-CNTN1-Autoantikörper Natriumkanäle beeinflussen, sollte jedoch Gegenstand weiterer Studien sein. Darüber hinaus deuten vorläufige Ergebnisse darauf hin, dass das Epitop für anti-CNTN1- Autoantikörper von seropositiven Patienten mit unterschiedlichen klinischen Merkmalen assoziiert sein könnte. Wir konnten zeigen, dass die Autoantikörper entweder gegen ein konformationelles Epitop gerichtet sein könnten, da die Bindung nach Deletion der ersten Immunglobulin (Ig)-Domäne von CNTN1 verhindert wird, oder gegen die Fibronektin Typ III (FnIII)-Domänen. Auffallend ist, dass beide Patienten mit FnIII-Domänen-Spezifität sehr hohe anti-CNTN1-Autoantikörper Titer und einen chronischen Krankheitsverlauf aufwiesen, während Patienten, die an ein konformationelles Epitop beziehungsweise die Ig- Domänen binden, mit einem schubförmigen oder sogar monophasischen Krankheitsverlauf assoziiert sind. Diese Ergebnisse müssen jedoch noch weiter bestätigt werden, bevor eine klare Aussage getroffen werden kann. Zusammenfassend trägt die vorliegende Studie dazu bei, die Pathogenese von peripheren Neuropathien, die mit anti-paranodalen Autoantikörpern assoziiert sind, aufzuklären. Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, die eine größere Anzahl von Patienten einschließen und auch Auswirkungen auf Strukturen wie beispielsweise Spinalganglien neben dem Ranvierschen Schnürring berücksichtigen, um die Krankheitsmechanismen vollständig zu verstehen.

In dieser Arbeit wurde durch das immunhistochemische Anfärben von nodalen (Natriumkanäle, NF), paranodalen (Caspr, NF) und internodalen (MBP) Proteinen der in Fingerhautbiopsien vorhanden Nervenfasern untersucht, ob eine Veränderung der typischen Verteilungsmuster dieser Proteine, eine demyelinisierende Polyneuropathie anzeigen kann. Dazu wurden am Universitätsklinikum Würzburg prospektiv 93 Polyneuropathie-Patienten und 25 Kontrollpersonen rekrutiert. Bei allen Patienten wurden Hautstanzbiospien am Zeigefinger durchgeführt. Bei 35 Patienten mit schweren oder unklaren Verläufen, wurden konsiliarisch Nervus suralis Biopsien durchgeführt. Aus einem Abschnitt von 27 dieser Biopsien, konnten im Rahmen dieser Arbeit Zupfnervenpräparate angefertigt und analog zu den Hautbiopsien ausgewertet werden. Aus der Routinediagnostik der Klinik flossen weiterhin die Ergebnisse der elektrophysiologischen Routinediagnostik und der Histologiebefund der Nervus suralis Biopsien in die Auswertung ein. Zusammenfassend kamen veränderte Natriumkanalbanden in Fingerhautbiopsien signifikant häufiger bei Patienten mit elektrophysiologisch als demyelinisierend befundeten Polyneuropathien, als bei Patienten mit elektrophysiologisch als axonal befundeten Polyneuropathien vor. Vielfach fanden sich veränderte Natriumkanalbanden inmitten para- und internodal unauffälliger Schnürringe und umgekehrt. Diese Beobachtung stützt die bereits in Vorarbeiten vorgeschlagene und in der aktuellen Leitlinie zur Diagnostik für Polyneuropathien aufgegriffene Entität der Paranodopathien (Uncini, Susuki, & Yuki, 2013). Möglich wäre, dass eine veränderte Verteilung der Natriumkanäle die schnelle Leitfähigkeit beeinträchtigen und somit trotz intakter Bemarkung, elektrophysiologisch das Bild einer demyelinisierenden Neuropathie vermittelt. Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Auftreten von doppelten und verlängerten Natriumkanalbanden und einzelnen Messwerten (z.B. Amplituden und Latenzzeiten) fand sich nicht. Auch in den Zupfnervenpräparaten der Nervus suralis Biopsien, konnten o.g. Verteilungsmuster untersucht werden. Deren Vorkommen zeigte sich als unabhängig vom elektrophysiologischen und histologischen Befund, von der Ätiologie der PNP und von den gefundenen Veränderungen in den Hautbiopsien des betreffenden Patienten. / Myelinated nerve fibers in finger skin biopsies and sural nerve biopsies were examined using immunohistochemical staining to detect changes in the typical distribution patterns of nodal (voltage-gated sodium channels, neurofascin 186), paranodal (Caspr, neurofascin 155), and internodal (myelin basic protein) proteins, aiming to identify indicators for demyelinating polyneuropathies. A total of 93 polyneuropathy patients and 25 control subjects were prospectively recruited from the University Hospital Würzburg. Skin punch biopsies were conducted on all patients and control subjects. Additionally, sural nerve biopsies were performed on a consultative basis for 35 patients. Teased nerve fiber preparations were made from a section of 27 of these biopsies and evaluated similarly to the skin biopsies. In summary, altered sodium channel bands in myelinated nerve fibers from finger skin biopsies were significantly more prevalent in patients electrophysiologically diagnosed with demyelinating polyneuropathies. However, there was no significant difference in the means of individual electrophysiological measurements between patients with and without changes in the immunohistochemical stainings. Each of the investigated changes was significantly more common in the polyneuropathy group than in the control group. Further correlations, particularly in the comparison of results from skin and sural nerve biopsies, were not found

Le système nerveux consiste en plusieurs types cellulaires quels interagissent avec eux-mêmes pour conduire des potentiels d’action du soma au travers l’axone vers la synapse. Dans les nerfs périphériques, les cellules de Schwann interagissent avec les neurones par enrouler autour l’axone et créer une gaine de myéline. Cette gaine de myéline permit une conduction rapide des potentiels d’action de nœud de Ranvier vers nœud de Ranvier, quels sont petits régions non-myélinisés de l’axone. En plus, les cellules de Schwann transportent du lactate vers le neurone et le neurone utilise ce lactate pour la production d’énergie sous la forme d’ATP. Cette production est nécessaire, parce que beaucoup de processus dans des cellules, comme la conduction des potentiels d’action, ont besoin d’ATP. Trois mécanismes sont impliqués à la production d’ATP : la glycolyse dans le cytosol et le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons dans les mitochondries. Par contre, la production d’ATP par des mitochondries résulte en la production du dérivés réactifs de l'oxygène (DRO), quels provoquent du stress oxydative. DRO peuvent être présent en plusieurs formes et ces formes différentes ont des traits spécifiques, mais tous les formes peuvent endommager la cellule. Par exemple, l’ion superoxyde est très réactif donc ils agissent extrêmement vite avec les molécules dans son environnement. Par contre, peroxyde d'hydrogène est un type de DRO quel est moins réactif, mais peut diffuser à plus longue distances et peut oxyder des cibles plus distales. Heureusement, les cellules sont équipées avec un système antioxydant compétant en consistent une groupe d’enzymes antioxydant, quels réduisent du DRO à l’eau. Si les mitochondries dysfonctionnent ou si l’équilibre entre DRO et antioxydants devient en disbalance, des neuropathies pourraient se développer, comme sclérose latérale amyotrophique (SLA), sclérose en plaques (SEP), maladie d'Alzheimer et maladie de Parkinson. Au SNP, des neuropathies périphériques comme la maladie Charcot-Marie-Tooth (CMT) peuvent se développer en raison d’excès du DRODans cette thèse, je présente un modèle élaboré pour la production d’ATP et DRO par les mitochondries in vivo. Je montrerai comment les cellules de Schwann utilisent l’effet Warburg, la transition de métabolisme de phosphorylation oxydative à glycolyse, pour la production de lactate, quel est transporté vers le neurone pour la production d’énergie. Je montrerai aussi que sans l’effet Warburg dans des cellules de Schwann, le métabolisme neuronal est détérioré menant à la production d’ATP diminué, déficits neuronales et des problèmes moteurs. Suite à l’activité nerveuse, la production d’ATP par des mitochondries augmente, mais aussi la production de DRO. Pourtant les deux productions ne sont pas en parallèle. En plus, je montre que la physiologie mitochondriale est affectée par des neuropathies. Aux souris avec défectueux mitofusin2, un modèle pour CMT2A, le contact entre le réticulum endoplasmique et les mitochondries est diminué, à côté d’un changement de morphologie et fonction mitochondriale. En plus, démyélinisation résulte dans des déficits de la production ATP et DRO, montrent une dissociation pathologique entre la production d’ATP et DRO.Pour obtenir ces résultats, des techniques d'imagerie avancées étaient utilisé pour imager les nerfs périphériques des souris transgéniques. Ces transgènes sont introduit dans les souris par injection des vecteurs virales, quels induisent l’expression des sondes fluorescents dans les cellules neuronales. Ces sondes fluorescentes étaient détectées par microscopie multiphotonique. En plus du modèle de la production d’ATP et DRO dans des nerfs périphériques, je présente un protocole pour introduire des vecteurs viraux dans le nerf sciatique. / The nervous system consists of several cell types that interact with each other in order to conduct action potentials from the neuronal soma through axons to the synapse. In peripheral nerves, Schwann cells interact with neurons by wrapping around the axon and creating a myelin sheath. This myelin sheath allows for fast conduction of action potentials from node of Ranvier to node of Ranvier, which are small unmyelinated areas of the axon. In addition, Schwann cells transfer lactate to the neuron, which the axonal mitochondria use to produce energy in the form of ATP. This is necessary, because many cellular processes, such as the conduction of action potentials use ATP. The production of ATP involves three mechanisms: anaerobic glycolysis in the cytosol and the Kreb’s cycle and electron transport chain within mitochondria. However, the production of ATP by mitochondria also results in the production of reactive oxygen species (ROS), which cause cell damage. ROS can be present in several different forms and these different forms have specific properties. For example, superoxide anions are highly reactive and subsequently react rapidly with the molecules in their environment. Hydrogen peroxide on the other hand is less reactive but hence can diffuse over longer distances and react with their targets more distally. Fortunately, the cell contains a competent antioxidant system, which can reduce ROS to water. When mitochondria malfunction or when the equilibrium between ROS and antioxidants becomes in disbalance, neuropathies can develop, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), multiple sclerosis (MS), Alzheimer’s disease or Parkinson’s disease. In the PNS, peripheral neuropathies can develop such as Charcot-Marie-Tooth disease as a result from an excess of ROS.In this thesis, I will provide an elaborate model for ATP and ROS production by axonal mitochondria in vivo. I will show how Schwann cells use the Warburg effect, the shift in metabolism from oxidative phosphorylation to anaerobic glycolysis, to produce lactate, which is then transported to the neuron for energy production. I also demonstrate that without the Warburg effect in Schwann cells neuronal metabolism would be impaired, leading to impaired ATP production, neuronal deficits and motor problems. Following action potential firing, not only ATP is produced by mitochondria, but also ROS, although with independent dynamics. In addition, I show that mitochondrial physiology is affected by several neuropathologies. In mitofusin2 deficient mice, a model for CMT2A, contact between the endoplasmic reticulum and mitochondria is impaired next to affected mitochondrial morphology and function. Also demyelination causes deficits in mitochondrial ATP and ROS production, showing a pathologic decoupling between ATP and ROS.To obtain these results, advanced imaging techniques were used to image peripheral nerves of transgenic mice. These transgenes were introduced in mice via injection of viral vectors which induce expression of fluorescent probes in neuronal cells. These fluorescent probes were detected via multiphoton microscopy. Next to the model for ATP and ROS production in peripheral nerves, I provide a protocol for introducing viral vectors into mouse sciatic nerves.

A method for modeling and simulating neural action potential (AP) propagation along the length of an axon containing a number of Ranvier nodes is proposed in this dissertation. A system identification approach is adopted to represent node of Ranvier (NR) response to current pulse stimulus in the form of transfer function representations for NR excitability. Segments of myelinated internodal (IN) and NR regions are cascaded, representing the remaining downstream axon after a site-of-stimulus introduction of an external current pulse. This cascading network is used to simulate "cable" properties and signal propagation along the length of the axon. This work proposes possible solutions to attenuation losses inherited in the classical myelinated cable models and accounts for neuronal AP velocity as well as introducing signal attenuation and transient delays associated with internodal demyelination. This model could aide as a predictive tool for the diagnosis and analysis of axonal signal integrity associated with demyelination pathology. Possible applications could include functional stimulation control methodologies for axon bundles that may exhibit signal fidelity issues associated with demyelination. It is further proposed that this model may serve as an instructive tool for further development and incorporation of other axon dynamic behaviors such as: relative refractory periods of AP generation, NR AP recovery mechanisms and responses to varied current stimulus input. / by George Jason Morales. / Thesis (Ph.D.)--Florida Atlantic University, 2011. / Includes bibliography. / Electronic reproduction. Boca Raton, Fla., 2011. Mode of access: World Wide Web.

In der Krankheitsentstehung der diabetischen Neuropathie wird die paranodale Demyelinisierung als ein möglicher Pathomechanismus diskutiert, wobei Studien mit Gewebeproben von Patienten aufgrund der Invasivität limitiert sind. In der vorliegenden Studie wurden periphere Nervenfasern in Hautbiopsien von Patienten mit diabetischer Neuropathie und in Patienten mit Diabetes mellitus ohne Neuropathie untersucht. Ziel war es, nodale und paranodale Veränderungen, wie eine Dispersion der paranodalen Proteine Caspr und Neurofascin oder der nodalen Na-Kanäle, zu detektieren und die Proben auf verlängerte Ranvier`sche Schnürringe zu untersuchen. Es wurde die Hypothese überprüft, dass paranodale Demyelinisierungen bei Patienten mit diabetischer Neuropathie in Hautbiopsien, als minimal-invasive Methode, nachweisbar sind. Hautproben von Patienten mit Diabetes mellitus ohne Neuropathie sollten zudem in einem frühen Krankheitsstadium untersucht werden. Für die Untersuchung konnten 35 Patienten mit einer diabetischen Neuropathie, 17 Patienten mit Diabetes mellitus und 31 Kontrollen eingeschlossen werden. Immunfluoreszenzfärbungen mit Antikörpern gegen Caspr, Neurofascin und Natrium-Kanälen wurden zur Analyse der Ranvier`schen Schnürringarchitektur durchgeführt und ausgewertet. Eine erhöhte Anzahl an verlängerten Schnürringen, als Zeichen einer segmentalen Demyelinisierung, konnte in den Patienten mit diabetischer Neuropathie aber auch in Patienten mit Diabetes mellitus nachgewiesen werden. Weiterhin waren vermehrt Veränderungen der paranodalen Proteine, wie eine Dispersion von Caspr und Neurofascin in den Proben des Fingers der Patienten mit diabetischer Neuropathie sowie eine Dispersion von Neurofascin im Unterschenkel in beiden Patientengruppen nachweisbar. Interessanterweise waren einzelne Veränderungen auch in den gesunden Kontrollen auffindbar. Veränderungen der Schnürringarchitektur lassen sich mithilfe der Hautbiopsie nachweisen und quantifizieren. Nodale und paranodale Veränderungen weisen auf demyelinisierende Prozesse in Patienten mit diabetischer Neuropathie hin und finden sich auch bereits in einem frühen Krankheitsstadium. / During the course of diabetic neuropathy, paranodal demyelination has been discussed as a possible mechanism, although studies with tissue samples from patients are limited due to its invasiveness. In the present study, peripheral nerve fibers were examined in skin biopsies from patients with diabetic neuropathy and in patients with diabetes mellitus without neuropathy. The aim was to detect nodal and paranodal changes, such as a dispersion of the paranodal proteins Caspr and Neurofascin or the nodal sodium channels, and to examine the samples for elongated nodes of Ranvier. The hypothesis was tested that paranodal demyelination in patients with diabetic neuropathy can be detected in skin biopsies as a minimally invasive method. Skin samples from patients with diabetes mellitus without neuropathy should also be examined at an early stage of the disease. 35 patients with diabetic neuropathy, 17 patients with diabetes mellitus and 31 controls could be included in the study. Immunofluorescence staining with antibodies against Caspr, Neurofascin and sodium channels were carried out and evaluated in order to analyze the architecture of nodes of Ranvier. An increased number of elongated nodes, as a sign of segmental demyelination, could be demonstrated in patients with diabetic neuropathy, but also in patients with diabetes mellitus. An increased number of changes in paranodal proteins, such as a dispersion of Caspr and Neurofascin in the samples of the finger of the patients with diabetic neuropathy and a dispersion of Neurofascin in the lower leg in both patient groups, were detectable. Interestingly, alterations of the nodal architecture could also be found in healthy controls. A disruption of the architecture of the node of Ranvier can be detected and quantified using skin biopsies. Nodal and paranodal alterations indicate demyelinating processes in patients with diabetic neuropathy and are also found at an early stage of the disease.

Polyneuropathien (PNP) können zu einer Reorganisation der nodalen und paranodalen Membranproteine mit in der Folge fehlerhafter Axon-Schwann-Zell-Interaktionen führen. Im Rahmen der Basisdiagnostik einer Polyneuropathie haben sich Hautbiopsien als weniger invasive Ergänzung zur Suralisbiopsie mit einem geringen Nebenwirkungsrisiko entwickelt. Die Morphologie dermaler Nervenfasern lässt sich mittels Immunohistochemie in der Haut gezielt untersuchen. In der vorliegenden Studie wurde die Hypothese überprüft, ob pathologisch auffällige Ranvier-Schnürringe Hinweise auf Unterschiede bei PNP-Subgruppen und Schädigungsmuster liefern. Daneben wurden die Hypothesen überprüft, ob Entzündungszellen an myelinisierten Nervenfasern kolokalisiert nachweisbar sind und ob Hautbiopsien einen zusätzlichen Nutzen zur PNP-Basisdiagnostik liefern. Von 92 Patienten wurden Hautbiopsien von Finger, Ober-und Unterschenkel wurden entnommen, daraus gewonnene myelinisierte Nervenfasern der Haut wurden mittels immunohistochemischer Antikörper-Doppelfärbungen analysiert. Neuropathische Schädigungsformen vom axonalen und demyelinisierenden Typ zeigten keine signifikante Korrelation mit dem Auftreten von verlängerten Ranvier-Schnürringen und der Dispersion charakteristischer paranodaler und nodaler Membranproteine (Neurofascin, Caspr, Pan-Natrium-Kanäle). Kolokalisierte Entzündungszellen an myelinisierten Nervenfasern bei entzündlichen PNP ließen sich nicht nachweisen. PNP-Subgruppen zeigten keine signifikanten Unterschiede in Hinblick auf eine pathologische nodale oder paranodale Organisation. Der Zusatznutzen von Hautbiopsien in der PNP-Basisdiagnostik kann in Bezug auf die vorliegende Arbeit nur eingeschränkt bestätigt werden. Da Fingerbiopsien im Vergleich zu Proben aus Ober- und Unterschenkel eine signifikant höhere Dichte myelinisierter Nervenbündel pro Fläche Dermis aufweisen, wäre es durchaus denkbar, zukünftig primär Fingerbiopsien zu entnehmen um diese auf etwaige pathologische Veränderungen infolge neuropathischer Erkrankungen zu untersuchen. Anamnese, Basisdiagnostik und klinischer Befund erbringen nach wie vor den wichtigsten Beitrag zur PNP-Diagnostik. / Skin biopsy has been suggested as a tool to analyse paranodal and nodal changes of myelinated fibers in demyelinating polyneuropathies. Myelinated fibers of skin biopsies (finger, upper thigh, lower leg) of 92 patients with PNP were obtained and analysed. Immunofluorescence of skin sections with antibodies against Caspr, neurofascin, sodium channels, protein gene product 9.5 and myelin basic protein was performed to analyse the paranodal/nodal architecture. Staining with antibodies against cd 68 and cd 4 was performed to analyse possible co-localisation of inflammation cells and myelinated nerve fibers in patients with inflammatory PNP. There was no significant difference between the subgroups of patients with axonal and demyelinating PNP regarding elongated ranvier nodes or dispersion of characteristical (para-) nodal membrane proteins (Neurofascin, Caspr, Pan-Sodium-Channel). A significant co-localisation of inflammation cells and myelinated nerve fibers in patients with inflammatory PNP was not detectable. PNP subgroups showed no significant differences regarding pathological organisation of (para-)nodal membrane proteins. Skin biopsy may be an appropriate tool to analyse myelinated nerve fibers in patients with PNP, nevertheless anamnesis and clinical examination are the main important tools of PNP diagnostics.

Die (Para-)nodopathie ist neben der primär axonalen und der primär demyelinisierenden Polyneuropathie eine neue Krankheitsentität, die sich durch eine Schädigung der Funktion des Ranvierschen Schnürringes auszeichnet. Die Forschung zu (para-)nodalen Autoantikörpern fokussierte sich bislang hauptsächlich auf Neurofascin-155- und Contactin-1-Autoantikörper der Subklasse IgG4. In dieser Studie wurden die Seren von insgesamt 264 PatientInnen mit CIDP, GBS oder anderen Formen von Polyneuropathien mittels Bindungsassays an murinen Ischiadicuszupfnerven und gegebenenfalls ELISA auf (para-)nodale Autoantikörper gescrennt. Positive Autoantikörperbefunde wurden bei IgG-Autoantikörpern mittels Bindungsassays an transfizierten HEK-293-Zellen und bei IgM-Autoantikörpern mittels Western Blot bestätigt. ELISA Untersuchungen dienten zur näheren Spezifizierung. Weiterhin wurde die zeitabhängige Wirkung von Contactin-1-Autoantikörpern im Zellkulturmodell untersucht. Die im folgenden dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die (Para-)nodopathie nicht auf die bisher am häufigsten beschriebene Erkrankung mit IgG4-Autoantikörpern beschränkt werden sollte. Bei dem extrem schwer betroffenen IgG-Patient 1 konnte ein Pan-Neurofascin-IgG3-Autoantikörper nachgewiesen werden. Als charakteristische Symptome für diese Autoantikörper konnten in Übereinstimmung mit weiteren Fallberichten Tetraplegie, Beatmungspflichtigkeit sowie eine schwere Hirnnervenbeteiligung bis zur Locked-In-Symptomatik identifiziert werden. Diese Patienten heben sich deutlich von den PatientInnen mit den bisher hauptsächlich beschriebenen Neurofascin-155-IgG4-Autoantikörpern ab, die wie IgG-Patient 2 charakteristischerweise in jungem Alter an einer CIDP mit Tremor ohne Besserung unter IVIG-Therapie leiden. Es wurden fünf PatientInnen mit Neurofascin-155-IgM-Autoantikörpern identifiziert, die eine akut beginnende Erkrankung mit Tetraparese, Tremor und neuropathischen Schmerzen zeigten. Ob sich dieser Phänotyp als charakteristisch für eine Neurofascin-155-IgM-(Para-)nodopathie bestätigt, sollte in weiteren Studien untersucht werden. Im murinen Zellkulturmodell an cerebellären Neuronen und Spinalganglienneuronen zeigte sich nach Inkubation mit Contactin-1-IgG-Patientenantikörpern eine zeitabhängige, rasch reversible Verminderung der Contactin-1-Protein-Expression in immunhistochemischen Färbungen sowie Western Blots, die durch eine Internalisierung des Contactin-1-Proteins erklärbar wäre. Der Angriff von Autoantikörpern an Spinalganglienneuronen und cerebellären Neurone sollte in weitere pathophysiologische Überlegungen miteinbezogen werden, da hierdurch typische Symptome der (Para-)nodopathie wie eine sensible Ataxie oder ein cerebellärer Tremor erklärt werden könnten. / (Para-)nodopathy is besides primary axonal and primary demyelinating polyneuropathy a new disease entity characterized by damage to the function of the node of ranvier. Research on (para)nodal autoantibodies has up to now mainly focused on neurofascin-155 and contactin-1 autoantibodies of IgG4 subclass. In this study sera from 264 patients with CIDP, GBS, or other forms of polyneuropathies were screened for the presence of (para-)nodal autoantibodies by binding assays on murine sciatic nerve and ELISA. Positive autoantibody findings were confirmed by binding assays on transfected HEK-293 cells for IgG autoantibodies and by western blot for IgM autoantibodies. ELISA assays were used for further specification. Furthermore the time-dependent effect of contactin-1 autoantibodies was investigated in a cell culture model. The results, presented in the following, show that (para-)nodopathy should not be limited to the up to now most commonly described disease with IgG4 autoantibodies. In the extremely severely affected IgG patient 1 pan-neurofascin IgG3 autoantibodies were detected. In accordance with other case reports tetraplegia, the need for artificial ventilation and severe cranial nerve involvement up to locked-in syndrome could be identified as characteristic symptoms for these autoantibodies. These patients clearly differ from the patients with neurofascin-155 IgG4 autoantibodies, which have been mainly described so far and who, like IgG patient 2, characteristically suffer from CIDP with tremor, have a younger age of onset and do not show improvement under IVIG therapy. Five patients with neurofascin-155 IgM autoantibodies were identified, who showed acute onset disease with tetraparesis, tremor, and neuropathic pain. Whether this phenotype is confirmed to be characteristic of neurofascin-155 IgM (para-)nodopathy should be investigated in further studies. In the murine cell culture model of cerebellar granule neurons and dorsal root ganglion neurons, incubation with contactin-1 IgG patient antibodies showed a time-dependent, rapidly reversible decrease in contactin-1 protein expression in immunohistochemical staining as well as western blots, which could be explained by internalization of contactin-1 protein. The effect of autoantibodies on dorsal root ganglion neurons and cerebellar granule neurons should be considered in further pathophysiological considerations, as this could explain typical symptoms of (para-)nodopathy such as sensory ataxia or cerebellar tremor.

L'agrégation des canaux sodium (Nav) aux nœuds de Ranvier est une étape importante pour la propagation électrique saltatoire rapide le long des axones myélinisés. L'assemblage des nœuds dépend d'interactions neurones-cellules gliales myélinisantes, les oligodendrocytes dans le système nerveux central (SNC) et les cellules de Schwann dans le système nerveux périphérique (SNP). Bien décrits dans le SNP, les mécanismes cellulaires et moléculaires restent à caractériser dans le SNC. Lors de ma thèse, je me suis focalisé sur les étapes précoces d'assemblage des nœuds dans le SNC. Ce travail montre que des agrégats de protéines nodales (ou pré-nœuds) sont formés le long des axones de neurones GABAergiques avant la myélinisation dans des cultures neurones-glies d'hippocampe et également au cours du développement chez les rongeurs. La formation de pré-nœuds dépend de protéines sécrétées par les oligodendrocytes et de la protéine axonale d'échafaudage, ankyrineG. En outre, la transition des isoformes de Nav le long des axones est régulée par la présence des cellules gliales. Enfin, les pré-nœuds permettent d'accélérer la vitesse de conduction de l'influx nerveux par un facteur 1,5, indépendamment de la myélinisation et du calibre axonal. Globalement, ces résultats renforcent notre connaissance des mécanismes d'assemblage des nœuds de Ranvier dans le SNC et suggèrent une fonction développementale de l'agrégation nodale avant le début de la myélinisation. Si la vitesse de conduction a été décrite comme liée aux propriétés isolantes de la gaine de myéline, les résultats de cette thèse apportent un concept novateur de régulation de la conduction axonale en l'absence de myéline. / The clustering of sodium channels (Nav) at the nodes of Ranvier is an important step in permitting rapid saltatory conduction along myelinated axons. Nodal assembly is neuron-glia dependent, mediated by myelinating oligodendrocytes of the central nervous system (CNS) and Schwann cells in the peripheral nervous system (PNS). While the mechanisms of nodal assembly are currently best characterized in the PNS, cellular and molecular mechanisms underlying their assembly in the CNS are only partially understood. In the core of my PhD dissertation, I focused on the early developmental steps of nodal protein clustering in the CNS and show that clusters of nodal proteins, called prenodes, are detected before myelination along GABAergic axons in hippocampal neuron-glia cultures and also in the developing rodent hippocampus. Prenodal clustering requires extrinsic oligodendroglial secreted proteinaceous factors, and also the intrinsic axonal cytoskeletal scaffolding protein ankyrinG. Furthermore, the transition of sodium channels isoforms is tightly regulated along GABAergic axons during development, but this transition is lost in the absence of the physical presence of glial cells. Lastly, prenodes increase axonal conduction by a factor of 1.5x, independently of myelination and axonal caliber. Taken together, these results further our understanding of CNS nodes of Ranvier assembly mechanisms and the developmental function of nodal clustering prior to myelin ensheathment. While conduction velocity along axons has long been thought to mostly rely on the insulating properties of myelin, these results may shed light on a new concept of axonal conduction in the absence of myelination.