<p>Transition metals, such as iron, manganese, and copper are essential in the development and function of biological systems. However, disrupted levels of transition metals are highly cytotoxic, and metal homeostasis is strictly maintained in cells under normal conditions. The neuropathology of several brain disorders, such as Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease has been linked to altered metal levels. This work focused on the measurement of iron, manganese, and copper, with the aim of better elucidating their role in brain disease.</p> <p>Two experiments were carried out in C57Bl/6 mice looking at metal homeostasis: <em>1.</em> following manganese injections typically administered in manganese-enhanced MRI animal studies, and <em>2.</em> following copper deficiency in a cuprizone model of demyelination. Metal measurements were made in the brain and visceral organs using X-ray fluorescence to measure iron and copper concentrations, and neutron activation analysis to measure manganese concentrations.</p> <p>In the MEMRI study in this work, in addition to the expected manganese concentration increases in brain regions, a statistically significant decrease in iron concentration in the thalamus was found. This change in iron levels in the thalamus following manganese injections should serve as a caution that care should be taken when interpreting signal changes in brain regions.</p> <p>The cuprizone study in this thesis confirmed that copper levels are reduced following cuprizone administration. Surprisingly, manganese concentrations were significantly higher in several brain regions that have demyelination in this model, but not iron or copper. The mechanism of cuprizone toxicity was related to manganese neurotoxicity that may contribute to demyelination.</p> / Master of Science (MSc)

Healthy white matter in the brain and spinal cord is composed primarily of myelinated axons and glial cells. Myelinated axons transfer information between the peripheral nervous system and the central nervous system (CNS) as well as between centres within the CNS. Demyelination, a hallmark of neurodegenerative autoimmune diseases such as multiple sclerosis (MS), can cause nerve damage and degrade signal propagation. Magnetic resonance imaging (MRI) methods thought to assess myelin integrity and the structural integrity of axons are improving both the diagnosis and understanding of white matter diseases such as MS. Current methods, however, are sensitive to many different pathologies, making the interpretation of individual MRI results difficult. For this dissertation, several quantitative MRI methods were developed and compared, including single component T1 and T2 relaxometry, multicomponent T2 relaxometry, diffusion tensor imaging (DTI), and quantitative magnetization transfer imaging (qMTI). These methods were tested on agarose gels, fixed rat spinal cords, healthy control mice, and the cuprizone mouse model of demyelination. Quantitative MRI measurements were correlated to ultrastructural measurements of white matter to determine the influence myelin content and axonal structure have on different MRI methods. Cellular distributions measured in electron micrographs of the corpus callosum correlated strongly to several different quantitative MRI metrics. The largest Spearman correlation coefficient varied depending on cellular type: longitudinal relaxation rates (RA/T1) vs. the myelinated axon fraction ( r = 0.90/-0.90), the qMTI-derived bound pool fraction (f) vs. the myelin sheath fraction ( r = 0.93), and the DTI-derived axial diffusivity vs. the non-myelinated cell fraction (r = 0.92). Using Pearson’s correlation coefficient, f was strongly correlated to the myelin sheath fraction (r = 0.98) with a linear equation predicting myelin content (5.37f −0.25). Of the calculated MRI metrics, f was the strongest indicator of myelin content while longitudinal relaxation rates and diffusivity measurements were the strongest indicators of changes in tissue structure. Multiparametric MRI measurements of relaxation, diffusion, and magnetization transfer give a more complete picture of white matter integrity.

Healthy white matter in the brain and spinal cord is composed primarily of myelinated axons and glial cells. Myelinated axons transfer information between the peripheral nervous system and the central nervous system (CNS) as well as between centres within the CNS. Demyelination, a hallmark of neurodegenerative autoimmune diseases such as multiple sclerosis (MS), can cause nerve damage and degrade signal propagation. Magnetic resonance imaging (MRI) methods thought to assess myelin integrity and the structural integrity of axons are improving both the diagnosis and understanding of white matter diseases such as MS. Current methods, however, are sensitive to many different pathologies, making the interpretation of individual MRI results difficult. For this dissertation, several quantitative MRI methods were developed and compared, including single component T1 and T2 relaxometry, multicomponent T2 relaxometry, diffusion tensor imaging (DTI), and quantitative magnetization transfer imaging (qMTI). These methods were tested on agarose gels, fixed rat spinal cords, healthy control mice, and the cuprizone mouse model of demyelination. Quantitative MRI measurements were correlated to ultrastructural measurements of white matter to determine the influence myelin content and axonal structure have on different MRI methods. Cellular distributions measured in electron micrographs of the corpus callosum correlated strongly to several different quantitative MRI metrics. The largest Spearman correlation coefficient varied depending on cellular type: longitudinal relaxation rates (RA/T1) vs. the myelinated axon fraction ( r = 0.90/-0.90), the qMTI-derived bound pool fraction (f) vs. the myelin sheath fraction ( r = 0.93), and the DTI-derived axial diffusivity vs. the non-myelinated cell fraction (r = 0.92). Using Pearson’s correlation coefficient, f was strongly correlated to the myelin sheath fraction (r = 0.98) with a linear equation predicting myelin content (5.37f −0.25). Of the calculated MRI metrics, f was the strongest indicator of myelin content while longitudinal relaxation rates and diffusivity measurements were the strongest indicators of changes in tissue structure. Multiparametric MRI measurements of relaxation, diffusion, and magnetization transfer give a more complete picture of white matter integrity.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Fibroblast Growth Factor 9 (FGF-9) auf die Remyelinisierung in einem Modell der Multiplen Sklerose untersucht. Dafür wurde ein Mausmodell benutzt, bei dem es durch Fütterung von Cuprizon zu Oligodendrozytentod und Demyelinisierung kommt sowie nach Absetzen des Kupferchelators zu Remyelinisierung. FGF-9 wurde zum Zeitpunkt des Absetzens des toxischen Futters stereotaktisch in den Balken der Tiere injiziert. Der Fortschritt der Remyelinisierung wurde an zwei Zeitpunkten analysiert, weshalb eine Hälfte der Tiere nach 3 Tagen und die andere Hälfte nach 6 Tagen perfundiert und histologisch untersucht wurde. Die Beeinflussung von Remyelinisierung durch FGF-9 wurde auf 3 Ebenen beurteilt. (1) Die lichtmikroskopische Analyse der Remyelinisierung zeigte keinen Einfluss einer Behandlung mit FGF-9. (2) Auch in der elektronenmikroskopischen Untersuchung zeigte sich keine Beeinflussung der Anzahl remyelinisierter Fasern durch eine FGF-9- Behandlung. (3) Durch die Antikörper-vermittelte Anfärbung und Quantifizierung verschiedener Oligodendroglia-Populationen konnten folgende Beobachtungen gemacht werden: Während fortlaufender Remyelinisierung kam es zu einer Vermehrung von Oligodendrozyten-Vorläuferzellen. Dies zeigte sich an einer signifikant höheren Zahl von NG-2-markierten Zellen in Tieren, die 6 Tage nach Absetzen von Cuprizon untersucht wurden. Außerdem konnte ein Einfluss von FGF-9 auf die Population myelinbildender Zellen nachgewiesen werden. Die Dichte von Zellen, die das Myelinprotein PLP exprimierten, war bei FGF-9-behandelten Präparaten signifikant niedriger. Die Dichte reifer, Nogo-A-exprimierender Zellen war in der FGF-9- behandelten Versuchsgruppe an Tag 6, jedoch nicht an Tag 3 erniedrigt. Dass FGF-9 einen Einfluss auf Oligodendroglia in vitro hat, ist vorbeschrieben. Dabei gibt es jedoch keine übereinstimmende Aussage, ob der Wachstumsfakor proliferationshemmend oder -fördernd auf die Oligodendrogliagenese wirkt. Zudem fehlt der Nachweis, ob dies auch die Remyelinisierung beeinflusst. In dem hier durchgeführten in-vivo-Experiment konnte dieser Schritt ebenfalls nicht nachgewiesen werden. Die Zellzählungen lassen jedoch vermuten, dass FGF-9 einen hemmenden Einfluss auf die Entwicklung von Oligodendrozyten zu myelinbildenen Oligodendrozyten hat. Somit ist FGF-9 ein möglicher Induktor eines Differenzierungsblockes. In der Literatur wird eine solche Hemmung der Ausreifung von Oligodendrozyten als Ursache für die bei MS-Patienten unvollständig ablaufende Remyelinisierung postuliert. Unzureichende Remyelinisierung gilt als Korrelat der nicht vollständigen Kompensation von Behinderungen, die im Verlauf der autoimmunen Entzündungsschübe bei Multipler Sklerose entstehen.

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Myelin wird durch einem speziellen Membran von Oligodendrozyten im ZNS hergestellt. Diese mehrschichtige Struktur umhüllt Axonen mit ihner trophischen Unterstützung und erleichtert die schnelle Übertragung von elektrischen Signalen. Um die kurzfristigen Auswirkungen der Demyelinisierung zu untersuchen, die histologische Analyse in einem Maus-Modell wurde durchgeführt, wo die myelinisierende Oligodendrozyten wurden abgetragen durch die Expression von Diphtherie-Toxin-Rezeptor in reifen Oligodendrozyten und systemische Diphtherie-Toxin Injektionen. Wir beobachteten, dass so eine Abtragung in einer tödlichen Krankheit resultiert, wo Demyelinisierung der weißen Substanz Bahnen durch Mikroglia Aktivierung von der axonalen Schäden begleitet wurde. Wir haben gezeigt, dass dieses Modell daher auch für das Studium von der kurzfristigen Demyelinisierung-vermittelte axonale Schädigung und Myelin Abbau geeignet ist. Um die Auswirkungen der reversibel Demyelinisierungepisoden auf langfristige Bewegungsapparates Leistung und neuro-axonalen Integrität zu untersuchen, wurden Cuprizon-behandelten Tieren mit motorischen Sequenz (MOSS) überwachtet. Mit MOSS haben wir beobachtet, ob eine funktionelle Erholung erreicht und in langfristig erhalten konnte. Trotz die komplette scheinbare Erholung, die behandelte Tieren zeigten eine late-onset motorischen Beeinträchtigung und laufenden akuten axonalen Schädigung. Dieses Modell imitiert viele Aspekte der axonalen Pathologie bei chronisch progredienter MS und könnte daher bei der Untersuchung der Faktoren, die Initiierung, Aufrechterhaltung oder Kompensation axonalen Schädigunggenutzt werden. Schließlich, weil Myelin Neuroprotektionwahrscheinlich eine direkte Kommunikation zwischen Axonen und Oligodendrozyten beinhaltet/braucht , Proteomanalyse der Myelin-Fraktionen in axo glialen Regionen ist durchgeführt, um neue Kandidaten in axo-glialen Interaktion im Rahmen des Myelin Biogenese beteiligt sind zu finden. Zahlreiche funktionalle Assays wurden gegründet und verwenden, um identifizierten Kandidaten zu bewerten, um ihre Rolle in axoglial Kommunikation und Myelinbildung zu bestimmen. Wir haben festgestellt, dass einige Mitglieder der IgLON Familie binden beide Oligodendrozyten und Axone. Wir beobachteten, dass diese Proteine kein Effekt auf die Migration, Proliferation, Differenzierung von der Oligodendrozyte-Vorläuferzellen haben. Allerdings beobachteten wir, dass ein Mitglied, Ntm wirkt sich negativ auf die frühen Phasen der Myelinisierung.