Die Infiltration von T Zellen in das Zentrale Nervensystem (ZNS) ist ein Charakteristikum neuroinflammatorischer Erkrankungen wie der Multiplen Sklerose (MS) und ihrem Tiermodell der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), und führt zur Aktivierung intrinsischer Hirnmakrophagen, den Mikrogliazellen, zu axonaler Schädigung sowie zum Zusammenbruch der Blut-Hirnschranke. Die T Zellen, welche als erste im Gehirn erscheinen, sind vom Subtyp Th1, spezifisch für Bestandteile der Myelinscheide, wie das myelinbasische Protein (MBP), produzieren inflammatorische Zytokine und rekrutieren andere unspezifische T Zellen und Makrophagen. Da sich diese Zellen des Immunsystems gegen körpereigene Bestandteile richten, spricht man von autoreaktiven T Zellen und einer autoimmunen Erkrankung. Im ersten Teil meiner Dissertation habe ich den Einfluss dieser autoreaktiven T Zellen auf den Aktivierungszustand von Mikrogliazellen mit Hilfe muriner Schnittkulturpräparate von Hippocampus und entorhinalem Kortex untersucht, welche den myelinisierten Fasertrakt Tractus perforans mit seinen Ursprungsneuronen und Zielzellen enthielten. Gering aktivierte MBP-spezifische T Zellen induzierten die Expression der Aktivitätsmarker MHC-II und ICAM-1 auf den Mikroglia und die damit verbundene axonale Schädigung (Phagozytose) im gleichen Maße wie hochaktivierte unspezifische T Zellen. Nur Th1 Zellen konnten Mikroglia aktivieren. MBP-spezifische Th2 Zellen hingegen reduzieren die Th1 induzierte Mikrogliaaktivierung (ICAM-1) auf Kontrollniveau. MBP-spezifische Th1 Zellen konnten die Expression von B7 auf Mikrogliazellen modulieren, während die MBP-spezifischen Th2 Zellen diese Eigenschaft nicht besaßen. Durch diese Befunde kann die prominente Rolle von autoreaktiven Th1 Zellen beim Auslösen neuroinflammatorischer Prozesse auf ihre einmalige Fähigkeit, Mikrogliazellen zu aktivieren und deren kostimulatorische Moleküle zu modulieren, zurückgeführt werden. Gleichzeitig bieten die Daten eine mögliche Erklärung für die protektive Rolle von Th2 Zellen bei MS und EAE. Es ist bekannt, dass autoreaktive T Zellen, wie die MBP-spezifischen Th1 Zellen, auch im gesunden Zustand im humanen und murinen T-Zell-Repertoire vorhanden sind. Die physiologische Funktion dieser Zellen ist unklar. Untersuchungen am Nervus opticus sowie im Rückenmark in vivo belegen, dass autoreaktive T Zellen und Makrophagen die Reorganisationsprozesse im ZNS nach traumatischer Schädigung positiv beeinflussen. Diese bei neuroinflammatorischen Erkrankungen so destruktiv wirkenden autoreaktiven T Zellen verhindern nach einem experimentell gesetzten Primärschaden im ZNS das Fortschreiten der Schädigung und es kommt zu einer fast vollständigen Regeneration des Gewebes. Im zweiten Teil meiner Promotionsarbeit habe ich versucht, die Mechanismen, welche hinter dieser Protektion stecken aufzuspüren. Dazu habe ich ebenfalls das in vitro Hirnschnittmodell benutzt. Für diese Fragestellungen wurden Akutschnitte verwendet, die ein Modell für primäre Schädigung im ZNS darstellen. MBP-spezifische Th2 Zellen hatten ein größeres protektives Potential als MBP-spezifische Th1 Zellen. Die nicht ZNS-spezifischen Th1 und Th2 Zellen benötigten ihr Antigen (OVA-Peptid), um signifikant protektiv zu wirken. Durch eine Superstimulation der OVA- und MBP-spezifischen T Zellen wurde eine Neuroprotektion auf gleichem Niveau erreicht. Die Neuroprotektion nach primärer Schädigung von ZNS Gewebe ist somit antigen- und stimulationsabhängig und wird hauptsächlich von Th2 Zellen unterstützt. / The invasion of T cells into the central nervous system (CNS) is a hallmark of neuro inflammatory diseases like multiple sclerosis (MS) and its rodent model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), leading to activation of intrinsic macrophages, the microglia, axonal damage and break down of the blood brain barrier. The initial invading T cells are of the Th1 subtype and specific for parts of the myelin sheet like myelin basic protein (MBP). They produce inflammatory cytokines and recruit peripheral non-specific T cells and macrophages. Because these T cells are directed against a self antigen, they are called auto reactive T cells and the phenomenon an autoimmune disease. In the first part of my study I investigated the influence of auto reactive T cells on microglial cells' utilizing an organotypic slice culture system of hippocampus and entorhinal cortex. The slice culture contains a myelinated fibre tract - the tractus perforans - with its original and target neurons. Low activated MBP-specific T cells induced the expression of the activation markers ICAM-1 and MHC-II on microglia as well as microglial phagocytosis in the same manner as highly activated non-specific T cells. Only Th1 cells were able to activate microglia, while Th2 cells reduced the Th1 induced activation (ICAM-1 expression). MBP-specific Th1 cells could modulate the expression of co-stimulatory molecules B7-1 and B7-2, whereas MBP-specific Th2 cells could not. These findings could show why Th1 cells are responsible for EAE induction while Th2 cells can be protective. Auto reactive T cells like MBP-specific T cells have been found in the normal human and murine T cell repertoire. The physiological function of these cells is still unclear. Studies using the models of optic nerve crush or spinal cord crush have shown that macrophages and auto reactive T cells are involved in reorganisation and regeneration after CNS trauma. These auto reactive T cells, which are usually known to be destructive, could prevent CNS tissue from secondary degeneration. In the second part of my study I tried to identify the mechanisms involved in this phenomenon. I also used the organotypic slice culture system. Immediately after preparation causing the primary injury the slices were cultivated with T cells. Th2 cells were found to be more potent to prevent form secondary damage than Th1 cells. The non-CNS specific OVA Th1 and Th2 cells required their antigen to be fully protective. When over stimulated, MBP- and OVA-specific Th1 and Th2 cells proved to be protective to the same extend. Neuroprotection after primary injury depends on the T cell s state of activation and their antigen specificity. Among the cells examined I found Th2 cells were most effective in preventing CNS tissue from secondary injury.

Die vorliegende Arbeit untersucht das Differenzierungsverhalten adulter muriner Knochenmarkzellen im Zentralnervensystem in vivo und in vitro. Hierzu wurden letal bestrahlte Mäuse mit Knochenmark aus transgenen Mausmutanten transplantiert, die das grün fluoreszierende Protein (GFP) unter der Kontrolle des humanen GFAP-Promoters exprimieren. Ein Teil der Rezipienten wurde vier Wochen nach Transplantation einer transienten fokalen cerebralen Ischämie unterzogen, um den Einfluss postischämischer inflammatorischer Vorgänge auf das Differenzierungsverhalten eingewanderter Zellen zu untersuchen. Eine zelluläre Koexpression von GFP und GFAP als Zeichen der Differenzierung hämatogener Zellen zu GFAP-exprimierenden Astrozyten fand sich bei keinem der analysierten Tiere. Für die in vitroVersuche wurden murine Knochenmarkzellen auf Mausastrozyten und auf organotypischen entorhinal-hippocampalen Hirnschnitten kokultiviert. Die hierzu verwendeten Knochenmarkzellen waren entweder retroviral mit GFP transfiziert oder stammten aus zwei verschiedenen transgenen Mausmutanten, von denen eine GFP nahezu ubiquitär unter dem b-Actin-Promoter, die andere GFP unter der Kon-trolle des humanen GFAP-Promoters exprimiert. Während zahlreiche Knochenmarkzellen nach wenigen Tagen der Kokultur die morphologischen Charakteristika ruhender Mikroglia annahmen und Immunoreaktivität für den Makrophagen/Mikroglia-Marker Iba1 aufwiesen, fand sich keine einzige Zelle mit Koexpression von GFP und GFAP. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass adulte murine Knochenmarkzellen bzw. ihre Abkömmlinge im zirkulierenden Blut nicht in GFAP-exprimierende Astrozyten differenzieren. / It has been postulated that adult murine bone marrow cells have the potential to differentiate into cells of neuroectodermal origin. In order to examine whether bone marrow cells can adopt an astroglial fate, various in vivo and in vitro approaches were chosen. Lethally irradiated recipient mice were transplanted with bone marrow derived from transgenic mice which express the green fluorescent protein (GFP) under the control of the human GFAP promoter. Four weeks after transplantation, several animals underwent transient focal cerebral ischemia. Although postischemic inflammatory processes may eventually have a permissive effect on cell differentiation, not a single cells coexpressing GFAP and GFP was found in the brains of all reci-pients examined. For in vitro studies, murine bone marrow cells were co-cultured on astrocytic monolayers or organotypic entorhinal-hippocampal brain slices. Bone marrow cells were either labelled by retroviral transfection with GFP or derived from two different transgenic mouse mutants expressing GFP under the control of the human GFAP-promoter or the murine b-Actin-promoter, respectively. After several days of co-culture bone marrow derived cells developed a ramified morphology and showed immunoreactivity for the monocytic/microglial marker Iba1. However, differentiation of bone marrow derived cells into GFAP-expressing astrocytes was not observed. Our results suggest that adult murine bone marrow cells cannot differentiate into GFAP-expressing astrocytes in vivo or in vitro.

Nach einer Läsion im Gehirn kommt es trotz der Bildung autoreaktiver T-Zellen zu keiner autoimmunen Neuropathologie. Foxp3+ regulatorische T-Zellen (Tregs) vermitteln möglicherweise Immuntoleranz nach zerebraler Läsion. Deswegen wurde in dieser Studie die Rolle der Tregs 7, 14 und 30 Tage nach einem transienten Verschluss der mittleren Hirnarterie (MCAO), einem Modell für ischämischen Schlaganfall, und nach entorhinaler Kortexläsion (ECL) in der Maus untersucht. Durchflusszytometrisch wurde in beiden Modellen 14 und 30 Tage nach Läsion eine Akkumulation der Tregs in der ipsilateralen Hemisphäre beobachtet. Mikroskopisch wurden an der Läsion Zellkontakte der Tregs mit antigenpräsentierenden Zellen beobachtet. Weitere Experimente wurden ausschließlich nach MCAO durchgeführt. Am Tag 14 und 30 war in der ipsilateralen Hemisphäre eine Akkumulation der Mikroglia zu beobachten. Makrophagen und dendritische Zellen wurden an den Tagen 7, 14 und 30 detektiert. Am Tag 7 und 14 waren ipsilateral im Gehirn ca. 60 % der Tregs positiv für den Proliferationsmarker Ki-67. In zwei Versuchsansätzen wurden naive CD45RBhigh/CD4+ Zellen aus lymphatischen Organen von Foxp3EGFP Mäusen, mit Wildtyp T-Zellrezeptor (TCR), oder 2D2.Foxp3EGFP Mäusen, mit TCR spezifisch gegen Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein, isoliert. Die Zellen wurden einen Tag vor MCAO in RAG1-/- Mäuse, welche keine adulten T- und B-Zellen besitzen, transferiert. Am Tag 14 nach MCAO war in den RAG1-/- Mäusen keine de novo Induktion Foxp3EGFP+ Tregs zu beobachten. CD25+ Tregs wurden durch die Injektion eines Antikörpers gegen CD25 depletiert, um deren Wirkung nach MCAO zu untersuchen. Nach Depletion konnte bis zu 27 Tage nach MCAO keine Veränderung des Läsionsvolumen und des Gangverhaltens beobachtet werden. In dieser Studie wurde im Gehirn eine späte Präsenz und Proliferation Foxp3+ Tregs nach Läsion nachgewiesen. Mikroglia und periphere Immunzellen sind langfristig an Immunvorgängen im lädierten Gehirn beteiligt. / After brain lesion autoreactive T cells specific against brain antigens are expanded, but no delayed autoimmune neuropathology evolves. Immune suppressive CD4+/Foxp3+ regulatory T cells (Tregs) could have an important role in maintaining immune tolerance in the lesioned brain. Therefore, this study sought to analyse the role of Tregs in mice 7, 14 and 30 days after transient middle cerebral artery occlusion (MCAO), a model for ischemic stroke, and entorhinal cortex lesion (ECL). An accumulation of Tregs was detected in the brain by flow cytometry in both models at days 14 and 30 after lesion. Using immunohistochemistry Tregs were found in close cell-cell contact with antigen presenting cells at the lesion site. Further experiments were performed solely with MCAO. On days 14 and 30 after MCAO a strong accumulation of microglia occurred in the ipsilesional hemisphere. Macrophages and dendritic cells were found ipsilesionally on days 7, 14 and 30. On days 7 and 14 about 60% of Tregs were positive for the proliferation marker Ki-67 in the lesioned hemisphere. In two different setups naïve CD45RBhigh/CD4+ cells were isolated from lymphatic organs of Foxp3EGFP mice, carrying a wild type T cell receptor (TCR), or 2D2.Foxp3EGFP mice, carrying a TCR specific for myelin oligodendrocyte glycoprotein. One day before MCAO naïve CD45RBhigh/CD4+ cells depleted of Foxp3EGFP+ Tregs were transferred into RAG1-/- mice, which lack adult B and T cells. At day 14 after MCAO no de novo generation of Foxp3EGFP+ Tregs was observed. The effects of Tregs on stroke outcome were tested by depleting CD25+/Foxp3EGFP+ Tregs with an antibody against CD25. After depletion no effects on lesion volumes and gait parameters were detected up to 27 days following MCAO. The present study demonstrates for the first time a sustained presence and proliferation of Tregs in the lesioned brain. Local microglia and peripheral immune cells are involved in long-lasting immune processes following brain lesion.

Es wurde Zellneubildung im erwachsenen cerebralen Cortex der Maus in Abhängigkeit von Umweltbedingungen und Aktivitätsgrad untersucht. Es war bekannt, dass eine reizreiche Umgebung und körperliche Aktivität die Neubildung von Nervenzellen im erwachsenen Hippokampus steigern. Als Zellproliferationsmarker wurde BrdU appliziert und BrdU-inkorporierende Zellen 1 Tag und 4 Wochen nach BrdU-Gabe unter Verwendung immunhistochemischer Methoden zur Detektion BrdU-inkorporierender Zellen in verschiedenen kortikalen Regionen und Schichten quantifiziert. Die phänotypische Charakterisierung BrdU+ Zellen wurde durch kombinierte Verwendung immunhistochemischer Methoden und konfokaler Mikroskopie vorgenommen. Die im adulten murinen cerebralen Cortex proliferierenden Zellen differenzierten weit überwiegend glial. Keine der kortikalen BrdU+ Zellen zeigte zweifelsfreie Zeichen einer neuronalen Differenzierung. Damit scheint die adulte Nervenzellneubildung unter physiologischen Bedingungen eine regionale Spezialität des Hippokampus und anderer Strukturen zu sein. Weder körperliche Aktivität (RUN) noch eine reizreiche Umgebung (ENR) führten 1 Tag oder 4 Wochen nach BrdU zu einem signifikanten Unterschied zur Kontrollgruppe (CTR), was die Anzahl BrdU+ Zellen im gesamten Cortex zusamengefaßt betrifft. Dagegen konnten die vorbeschriebenen Effekte von RUN und ENR auf hippokampale BrdU-inkorporierende Zellen repliziert werden. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass die Verstärkung adulter Neurogenese durch RUN und ENR im Gyrus dentatus des Hippokampus eine hippokampus-spezifische Reaktion und nicht etwa Teil einer generalisierten zentralnervösen Reaktion ist. Jedoch konnte gezeigt werden, dass körperliche Aktivität und eine reizreiche Umgebung zur lokalen Beeinflussung kortikaler Zellneubildung in bestimmten Schichten und Regionen führten. So konnten bei RUN-Tieren signifikant mehr BrdU+ Zellen in Schicht I des cingulären, motorischen und visuellen Cortex als bei CTR-Tieren gefunden werden. ENR-Tiere hatten 4 Wochen nach BrdU signifikant mehr BrdU+ Zellen in Schicht II/III des visuellen Cortex als CTR-Tiere. Die Phänotypisierung BrdU+ Zellen in diesen kortikalen Bereichen ergab, dass RUN zu einer lokalen, deutlich ausgeprägten Verstärkung der Neubildung von Mikroglia führte, während ENR tendentiell lokal kortikale Astrozytogenese verstärkte (signifikant in Schicht I des motorischen Cortex 4 Wochen nach BrdU). Damit konnte erstmals berichtet werden, dass körperliche Aktivität zelltypspezifisch die Neubildung kortikaler Mikroglia stimuliert. Dieses Ergebnis ist zunächst überraschend, da mikrogliale Proliferation und Aktivierung klassischweise im Zusammenhang mit Schadenszuständen des ZNS gesehen werden. In der Tat ist dies einer der ersten Befunde, der eine mikrogliale Reaktion mit nicht-pathologischen, vollkommen physiologischen Bedingungen in Verbindung bringt. Dies könnte einen neuen Blickwinkel auf mikrogliale Funktionen eröffnen. / The effect of physical activity and enriched environment on cell genesis in the cerebral cortex of adult mice were investigated. It is well known that living under the conditions of an enriched environment and physical activity both enhance the generation of new neurons in the adult murine hippocampus. To label proliferating cells mice were injected with bromodesoxyuridine (BrdU). The number of BrdU incorporating cells in different regions and layers of the cerebral cortex was determined 1 day and 4 weeks after BrdU administration. To characterize cortical BrdU+ cells phenotypically immunohistochemistry and confocal microscopy were used. Adult-generated cortical cells were glial cells. None of all the examined cortical BrdU+ cells showed immunoreactivity for NeuN (expressed in mature neurons) unambiguously indicating that the generation of new neurons in the adult brain is a speciality of the hippocampus and other brain structures. Physical activity (RUN) and enriched environment (ENR) did not affect the number of BrdU+ cells in all cortical regions taken together compared to control animals (CTR), both 1 day and 4 weeks after BrdU. However, the known effects of RUN and ENR on hippocampal cell genesis were replicated suggesting that the enhancement of adult hippocampal neurogenesis by RUN and ENR is a hippocampus-specific reaction and not part of a generalized reaction of the adult cns. It was shown that physical activity and enriched environment had effects on cell genesis in distinct cortical layers and regions. RUN-animals had significantly more BrdU+ cells in layer I of the cingulate, motor and visual cortex than CTR. ENR-animals had significantly more BrdU+ cells in layer II/III of the visual cortex than CTR 4 weeks after BrdU. Phenotyping of BrdU+ cells in these cortical parts revealed that RUN led to a marked increase of the generation of microglia. ENR tended to enhance astrocytogenesis in several cortical parts (reaching significance in layer I of the motor cortex 4 weeks after BrdU). This is the first report that physical activity stimulates the generation of cortical microglia in a cell-type-specific and to some degree region-specific manner. This result is surprising because microglial proliferation and activation are generally thought to occur under conditions involving damage to the nervous system. In fact, this is one of the first reports linking a microglial reaction with an entirely physiological condition. This might shed a new light on microglial function.

Une des principales caractéristiques de la maladie d'Alzheimer (MA) est l'accumulation intracérébrale du peptide neurotoxique Amyloïde β (Aβ) sous forme oligomérique et sous forme agrégée en plaques amyloïdes. Ce peptide est le produit du clivage de l'Amyloid Precursor Protein (APP) selon la voie amyloïdogène, voie pathologique suractivée dans la MA. La majorité des recherches, au cours des 25 dernières années, se sont concentrées sur les conséquences pathologiques de cette dérégulation, mettant au second plan la compréhension des fonctions physiologiques de l’APP. Cependant, de nombreuses études montrent que ses fonctions physiologiques pourraient être médiées par ses formes solubles (APPs). Dans la voie de clivage physiologique, la voie non-amyloïdogène, l’APP est clivé par l’α secrétase pour libérer l’APPsα, peptide disposant de propriétés neuroprotectrices et synaptotrophiques, essentielles au bon fonctionnement cérébral. Dans le contexte de la MA, la suractivation de la voie amyloïdogène va aboutir à la production de l’APPsβ au détriment de celle d’APPsα. Les conséquences fonctionnelles associées à la maladie d’Alzheimer pourraient ainsi être dues à la diminution de la production d’APPsα associée à une augmentation de la production d’APPsβ. Mon projet de thèse porta sur les conséquences mnésiques et fonctionnelles de la surexpression de ces deux formes et à leur potentiel thérapeutique dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons tout d’abord surexprimé l’APPsα dans les neurones de l’hippocampe de souris transgéniques APP/PS1ΔE9, modèle de la MA, qui présentent des déficits cognitifs et synaptiques. L’expression continue d’APPsα, à l’aide de vecteurs AAV, permet la restauration des performances mnésiques des souris, de la potentialisation à long terme (LTP) ainsi que du nombre d’épines dendritiques dans l’hippocampe. Ce sauvetage phénotypique s’accompagne de la diminution conjointe des niveaux d’Aβ et des plaques amyloïdes. Ceci serait en partie la conséquence de l’activation de la microglie, type cellulaire ayant la capacité d’internaliser et de dégrader l’Aβ. Mon second axe de recherche a consisté à étudier l’APPsβ dont l’implication dans la MA reste méconnue. Sa surexpression dans le modèle murin APP/PS1ΔE9 n’induit pas de restauration de la LTP ni de la mémoire spatiale. Néanmoins, l’injection d’APPsβ aboutit à la diminution de la concentration en Aβ solubles sans cependant réduire le nombre de plaques amyloïdes. Ce défaut pourrait-être la conséquence de l’absence d’activation microgliale. En résumé, mon travail de thèse montre que, contrairement à l’APPsβ, la surexpression d’APPsα pourrait contrecarrer l’évolution inéluctable de la maladie et en particulier en réduisant l’atteinte synaptique et mnésique caractéristique de la MA. Ces résultats renforcent une nouvelle voie d’action pour lutter contre la progression de la MA. L’utilisation de l’APPsα en tant qu’agent thérapeutique pourrait ainsi s’avérer être un élément important dans l’arsenal clinique de ces prochaines années. / One of the main characteristic of Alzheimer’s Disease (AD) is the intracerebral accumulation of the neurotoxic Amyloid β peptide (Aβ) either as oligomeric or aggregated forms known as the amyloid plaques. This peptide is produced via the Amyloid Precursor Protein (APP) processing following the amyloidogenic pathway, pathological pathway overactivated in AD. Most of the research performed during the last 25 years focused on pathogenic consequences of this dysregulation, deprioritizing the understanding of the APP physiological functions. Nonetheless, numerous studies show that these physiological functions might be mediated via APP soluble forms (APPs). In the physiological APP processing pathway, the non-amyloidogenic pathway, APP is cleaved by the α secretase, releasing the APPsα which display neuroprotective and synaptotrophic properties, essential for brain normal functions. In the context of AD, the amyloidogenic pathway overactivation leads to APPsβ overproduction at the expense of APPsα. Therefore, AD harmful consequences could be due to the decrease of APPsα concentration associated with an increase of APPsβ. My thesis project aimed to characterize mnemonic and functional properties following the overexpression of these two soluble forms of APP and their therapeutic potential in AD. We firstly overexpressed APPsα in hippocampal neurons of APP/PS1ΔE9 mice, animal model of AD, which display cognitive and synaptic deficits. The continual expression of APPsα, mediated via AAV viruses, enabled restoration of spatial memory, long-term potentiation and dendritic spines density in the hippocampus. This phenotypic rescue was accompanied with the decrease of both Aβ levels and amyloid plaques. This might be due to the activation of microglia, cell type able to internalize and degrade Aβ. In a second hand, I studied the involvement of APPsβ in AD, which remains poorly known. Its overexpression in APP/PS1ΔE9 did not induce neither LTP nor spatial memory restoration. However, APPsβ injection lead to the decrease of Aβ levels without reducing amyloid plaques. This default might be due to the lack of microglial activation. In conclusion, my thesis work show that, unlike APPsβ, APPsα overexpression might overcome the AD inevitable evolution by reducing synaptic and memory alterations, typical of AD. These results reinforce a new way of treatment to cope with AD progression. The use of APPsα as therapeutic agent might be an important tool for future AD therapies.

In der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen vorgestellt, die sich mit Wirkungen und Interaktionen von zwei ubiquitär im menschlichen Körper vorkommenden Gasen befassen, i.e. Sauerstoff und Stickstoffmonoxid. Im Falle beider Substanzen ermöglicht die geringe Größe der Moleküle eine freie Diffusion über Membranen hinweg, eine Eigenschaft, die für die Funktion der Signaltransduktion geradezu prädestiniert. Aus den vorgelegten Untersuchungen lassen sich die folgenden Folgerungen ableiten: * Stickstoffmonoxid wirkt in-vitro selektiv bakteriostatisch auf Bakterien, die üblicherweise Früh- und Neugeborene besiedeln. Dabei hängt die Selektivität von den jeweiligen bakteriellen Verteidigungsmechanismen ab, die bakteriostatische Wirkung liegt in einem Konzentrationsbereich, der außerhalb desjenigen liegt, der derzeit klinisch angewendet wird. * Hyperoxie führt im Ganztiermodell der unreifen Ratte zu einer zerebralen Hochregulation von iNOS und damit zur Synthese von NO. Soweit dies anhand der Synthese von Peroxynitrit als definitivem Schädigungsmechanismus beurteilbar ist, wird trotz entsprechender iNOS-Expression wenig bis gar kein Peroxynitrit gebildet. Da das Zusammentreffen von NO und Sauerstoff sonst regelhaft zur Entstehung von Peroxynitrit führt, müssen im Gehirn der unreifen Ratte ausreichende antioxidative Schutzmechanismen präsent sein, die diese Reaktion verhindern. * Im in-vitro-Modell der Gasäquilibrierung von Nabelschnur-PMN zeigte sich unter Hyperoxie das ausgeprägteste Aktivierungsmuster aller verglichenen Sauerstoffkonzentrationen. Dies stand im Gegensatz zur Exposition adulter Zellen, hier fand sich eine größere Hyperoxietoleranz bei gleichzeitig stärkster Aktivierung unter Hypoxiebedingungen. Welche Bedeutung diesen Ergebnissen im klinischen Umgang mit Neugeborenen zukommt muß derzeit noch offen bleiben. Allerdings häufen sich Hinweise aus experimentellen Studien, die darauf hindeuten, daß ein restriktiver Umgang mit hohen Sauerstoffkonzentrationen auch im klinischen Umfeld gerechtfertigt sein könnte. / The present investigations deal with the effects and interactions of gases, which are ubiquitous in the human body i.e. oxygen and nitric oxide. Both substances are small enough to freely diffuse across biological membranes. This ability predestines both molecules for the function of signal transduction. The results of our investigations lead to conclusions as follows: * Nitric oxide has selective bacteriostatic effects in-vitro on some bacterial strains typically isolated from preterm and term newborn infants. Selectivity depends on the presence of bacterial defense mechanisms. The bacteriostatic effect takes place at concentrations above those currently used in clinical practice. * Hyperoxia leads to upregulation of iNOS and subsequent NO production in an animal model of the immature rat. Despite this upregulation of iNOS synthesis there is no increased production of peroxynitrite which is known to cause cellular and DNA damage. Since the combination of NO and high concentrations of oxygen lead to peroxynitrite formation on a regular basis, effective antioxidant mechanisms appear to prevent peroxynitrite formation in the brain of the immature rat. * The most pronounced activation of cord blood polymorphonuclear cells (PMN) during conditions of hyperoxia, normoxia, and hypoxia was found for exposure towards high oxygen concentrations in an in-vitro model of gas equilibration. As opposed to that, hypoxia was the most potent trigger for adult PMN. It remains to be determined which clinical implications must be derived from these results. However, increasing experimental evidence indicates that exposure towards high oxygen concentrations should be restricted also in clinical practice and not only in preterm infants, but also in term newborns.

Les lésions spinales conduisent à des altérations majeures des fonctions sensorimotrices. Les récupérations fonctionnelles consécutives à ces atteintes sont très limitées, notamment en raison des capacités réduites de réparation des tissus endommagés dans le SNC. En outre, ces récupérations dépendent notamment de plusieurs processus cellulaires tels que l'activation astrogliale qui conduit à la formation de la cicatrice gliale, ou encore l'inflammation dont les cellules microgliales et les mastocytes sont les effecteurs les plus précoces. Cette inflammation est connue pour exacerber les dommages tissulaires et restreindre les possibilités de récupération. Cependant, des études récentes chez l'animal et chez l'Homme montrent que l'inflammation pourrait également avoir des effets favorisant les processus de récupération. Le but de cette thèse était de mieux comprendre les liens qui existent entre neuroinflammation, neuroplasticité et récupérations fonctionnelles après lésion spinale. L’objectif expérimental visait à examiner les réactivités microgliales, mastocytaires et astrocytaires post-lésionnelles, en parallèle avec des restaurations fonctionnelles. Dans ce contexte nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'influence d'une cytokine pro-inflammatoire, le Granulocyte-Macrophage Colony Stimulating Factor (GM-CSF) sur ces processus inflammatoires et la plasticité fonctionnelle après une hémisection C4-C5 chez le rat adulte. L’ensemble de nos travaux suggère que le GM-CSF pourrait agir par l’intermédiaire de plusieurs événements cellulaires et moléculaires, en favorisant des phénomènes de plasticité adaptatifs et la récupération partielle de fonctions altérées. / Spinal cord injuries are mostly of traumatic origin and result in major sensorimotor deficits. Postlesion functional recovery is limited, especially because of the reduced capacity of repairing damaged tissues. Moreover, this recovery depends specifically on several cellular processes such as astroglial activation conducting to glial scar formation, or inflammation for which microglial and mast cells are the earliest effectors. This inflammation is known to exacerbate tissue damages and restrain the capacity to recover. However, recent studies in animals and humans show that inflammation may also have beneficial aeffects on recovery processes. The studies conducted during my doctoral research were intended to better understand the links between neuroinflammation, neuroplasticity and functional recovery following spinal cord injury. We aimed at examining microglial, mast cells and astroglial reactivities after the injury, in relation with functional recovery of somatosensory and motor functions. In this context, we were particularly interested in the influence of Granulocyte Macrophage-Colony Stimulating Factor (GM-CSF) on inflammatory and plasticity mechanisms after a C4-C5 hemisection in the adult rat. Our doctoral research suggests that GM-CSF could act through several cellular and molecular events promoting adaptive plasticity phenomena underlying partial recovery of impaired functions.

L’objectif des travaux de cette thèse concerne la caractérisation du germoplasme marocain du cactus Opuntia. Les études réalisées pour atteindre cet objectif ont portées sur le comportement phénologique, les caractéristiques génétiques et la composition physicochimique du cactus, ainsi que sur les molécules à fort potentiel thérapeutique, susceptibles d’avoir des effets bénéfiques pour les cellules du système nerveux central, dans les extraits de cactus (fruit, fleur, graine, huile, raquette et épine) et ceci en comparaison avec l’huile d’Argan. Les travaux ont été réalisés dans quatre laboratoires partenaires partageant des compétences dans les domaines d’analyses agronomique, biochimique et moléculaire. Les résultats de nos travaux sont présentés dans trois volets : (i) la caractérisation agronomique du cactus, (ii) la purification et la caractérisation des extraits et des molécules naturelles et (iii) l’évaluation des effets biologiques de ces molécules sur un modèle cellulaire. L’étude phénologique sur des écotypes âgées de 4 ans, issus du site expérimental de l’INRA d’Ain Nezagh, nous a permis de les classer selon le taux de fructification ou la production de biomasse de manière à mieux orienter leur utilisation en fonction de l’origine géographique et de l’espèce. L’étude de la diversité génétique, basée sur les traits morphologiques et les marqueurs moléculaires, a permis d’identifier sur le site d’Ain Nezagh sept espèces de cactus dont deux n’avait jamais été décrites au Maroc, O. leucotricha et O. inermis. Les analyses morpho-anatomique et physico-chimique de la fleur, du jus, du fruit et de la raquette d’écotypes âgées de 10 ans provenant du site de l’INRA de Jemâat Riah ont démontré la présence de deux espèces différentes de cactus du genre Opuntia, comportant quatre variétés non identifiées auparavant sur ce site. Nos travaux montrent donc l’existence d’une grande diversité génétique intra-espèces (variétés) et inter-espèces chez le cactus au Maroc. Paralèllement à ces études, les compositions chimiques des huiles essentielles de raquette et de graine de cactus ainsi que celle d’huile d’argan ont été déterminées. A partir de ces analyses, nous avons choisi d’étudier les effets de deux stérols, le spinastérol et le schotténol, ainsi que d’extraits de stérols sur l’activation du récepteur nucléaire LXR (Liver X receptor, impliqué dans la régulation du métabolisme du cholestérol) dans les cellules cérébrales de la microglie (lignée murine BV-2). Nos résultats montrent que le spinastérol et le schotténol, sans être cytotoxiques, peuvent moduler les expressions des deux isoformes de LXR, LXR-α et LXR-β, ainsi que de leurs gènes cibles ABCA1 et ABCG1. De plus, le schotténol provoque une activation spécifique de LXR-β. Ces résultats suggèrent que ces deux phytostérols pourraient avoir un rôle protecteur dans la modulation du métabolisme du cholestérol dans la microglie. / The objective of this PhD thesis is to characterize the Moroccan germplasm of the cactus Opuntia collected from different regions in Morocco, by studying the phenologic behavior, the genetic features and physicochemical composition, along with the molecules of high therapeutic potential which may have beneficial effects on the central nervous system cells from cactus extracts (fruit, flower, seed, oil, cladodes and spine) and compared to Argan oil. This work has been conducted in fours different laboratories sharing complementary analyses skills at agronomic, biochemistry, molecular levels. Our results are presented in three parts : (i) cactus agronomic characteristics, (ii) purification and characterization of natural extracts and molecules and (iii) the evalution of biological effects of these molecules using a cell model. Initially, the first experimental INRA site of cactus culture, located in Ain Nezagh and containing ecotypes older than 4 years, allowed us to achieve a phenological study with the classification of the ecotypes according to fruiting rate and to the biomass production in order to better guide their use according to geographical origin and species. The genetic diversity study based on morphological traits and molecular markers permited the identification, on the site of Ain Nezagh, of the presence of seven species of cactus among which two have never been described in Morocco: O. leucotricha and O. inermis. The morpho-anatomical and physicochemical analyses of cactus flower, juice, fruit and cladodes of 10 years old ecotypes issued from the Jemâat Riah INRA site, demonstrated the presence of two different species of the genus Opuntia including four varieties not previously identified on this site. Thus, our work indicates the existence of a large intra-species (varieties) and inter-species genetic diversity. Secondly, the chemical compositions of cladode essential oils or cactus seeds as well as argan oil were determined. From these analyzes, we have chosen to study the effects of two sterols, spinasterol and schottenol and also sterol extracts on the activation of the nuclear receptor LXR (Liver X receptor, involved in the regulation of cholesterol metabolism) in microglia brain cells (BV-2 murine cell line). Our results show that spinasterol and schottenol, without being cytotoxics, can modulate the expression of the two isoforms of LXR, LXR-α and LXR-β, as well as of their target genes ABCA1 and ABCG1. In addition, the schottenol causes LXR-β specific activation. These results suggest that these two phytosterols could have a protective role in the modulation of cholesterol metabolism in microglia.

Entre os PRRs (receptores de reconhecimento padrão), NOD-like receptors (NLRs), tal como NOD2, são responsáveis pela detecção intracelular de muramil dipeptídeo (MDP); padrão molecular associado a patógeno (PAMP), encontrado no peptidoglicano (PGN) de praticamente todas bactérias GRAM positiva e negativa. Após o reconhecimento e estimulação por MDP, NOD2 recruta diretamente a serina-treonina quinase RIPK2, uma proteína adaptadora importante na ativação de NF?B mediada por NOD2. A expressão de NOD2 foi descrita em macrófagos e em outras células. Além disso, trabalhos anteriores indicaram que PRRs desempenham papel crucial na ativação de células gliais da medula espinal, na indução e manutenção da dor inflamatória crônica e dor neuropática. No presente estudo, avaliamos o papel de NOD2 na modulação da sensibilidade à dor, focando sua importância na ativação de células da glia da medula espinal, bem como a sua via de sinalização (RIPK2) e liberação de citocinas pró-nociceptivas, como o fator de necrose tumoral alfa (TNF-?), interleucina-6 (IL-6) e interleucina-1 beta (IL-1?). Os resultados demonstram que camundongos selvagens tratados com MDP, apresentaram diminuição no limiar nociceptivo mecânico (pico entre 3 e 5 horas) comparado com o grupo controle (veículo), retornando ao basal após 48 horas. Além disso, camundongos NOD2-/- , RIPK2-/- , TNFR1/2-/- e IL-6 -/- tratados com MDP não diferiram o limiar nociceptivo mecânico, comparado com seus respectivos grupos controle (veículo). Entretanto, camundongos TNFR1- /- , CCR2-/- , TLR4-/- , MyD88-/- e TRIF-/- tratados com MDP, apresentaram diminuição no limiar nociceptivo mecânico similar aos camundongos selvagens tratados com MDP. Adicionalmente, o pré-tratamento de camundongos selvagens com IL-1ra, propentofilina, minociclina, fluorocitrato e SB 203580 inibiu o desenvolvimento da hipersensibilidade mecânica induzida por MDP. Estes dados sugerem que a ativação do sensor intracellular NOD2 esta presente em células da glia da medula espinal e estimula a ativação das vias de sinalização RIPK2 e p38 MAPK com subsequente produção de IL-1?, IL-6 e TNF?, por uma via de sinalização independente de TLR4, MyD88 e TRIF. Finalmente, estes mecanismos contribuem para o processo de hipersensibilidade mecânica durante a neuropatia periférica e representam uma nova abordagem para elucidar os mecanismos envolvidos na fisiopatologia da dor crônica. / Among PRRs (pattern recognition receptors), NOD-like receptors (NLRs), such as NOD2 are responsible by intracellular detection of muramyl dipeptide (MDP); pathogen-associated molecular pattern (PAMP) found in the peptidoglycan (PGN) from virtually all gram positive and gram negative bacteria. Upon recognition and stimulation by MDP, NOD2 recruits directly the receptor-interacting serine/threonine-protein kinase 2 (RIPK2), an adaptor protein important in the NOD2-mediated NF?B activation. The expression of NOD2 has been described in macrophages and other cells. Moreover, previous work has indicated that PRRs play a crucial role in the activation of spinal cord glial cells, in the induction and maintenance of chronic inflammatory and neuropathic pain. In the present study, we aimed to evaluate the role of NOD2 in the modulation of pain sensitivity, focusing on its importance in the activation of spinal cord glial cells, as well as its signaling pathway (RIPK2) and release of pro-nociceptive cytokines, such as tumour necrosis factor-alpha (TNF-?), interleukin-6 (IL-6) and interleukin-1beta (IL-1?). The results demonstrate that WT mice treated with MDP showed a decrease in mechanical nociceptive threshold (peak 3 to 5 hours) compared with the control group (vehicle), returning to the base line after 48 hours. Furthermore, NOD2-/- , RIPK2-/- , TNFR1/2-/- and IL-6 -/- mice treated with MDP did not differ the mechanical nociceptive threshold compared with their respective control groups (vehicle). However, TNFR1-/- , CCR2-/- , TLR4-/- , MyD88-/- and TRIF-/- mice treated MDP, showed a decrease in mechanical nociceptive threshold similar to WT mice treated with MDP. In addition, the pretreatment of WT mice with IL-1ra, propentofylline, minocycline, fluorocitrate and SB 203580 inhibited the development of mechanical hypersensitivity induced by MDP. These data suggest that activation of the intracellular sensor NOD2 present in spinal cord glial cells stimulates the activation of RIPK2 and p38 MAPK signaling pathways and subsequent production of IL-1?, IL-6 and TNF?, in a TLR4-, MyD88- and TRIF-independent signaling pathway. Finally, these mechanisms contribute to the process of mechanical hypersensitivity during peripheral neuropathy and represent a novel approach for elucidating the mechanisms underlying pathophysiology of chronic pain.

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