Die X-chromosomale vererbte Adrenoleukodystrophie gehört zu den häufigsten monogenetischen, neurodegenerativen Erkrankungen im Kindes-, und Erwachsenenalter. Das defekte ABCD1-Gen ist lokalisiert auf dem langen Arm des X-Chromosoms (Xq28) und kodiert für ein ATP-bindendes, membranständiges, peroxisomales Transporterprotein (ALDP) für Coenzym A aktivierte, sehr langkettige Fettsäuren (VLCFAs), die in den Peroxisomen ß-oxidativ abgebaut werden. In Abwesenheit von ALDP ist der Transport von VLCFAs in die Peroxisomen beeinträchtigt, was zu einer diagnostisch verwertbaren Akkumulation dieser Fettsäuren in Geweben und Körperflüssigkeiten von X-ALD Patienten führt. Der identische Gendefekt führt zu einer bemerkenswerten phänotypischen Heterogenität. Mit zunehmendem Alter entwickelt sich bei allen männlichen und mindestens 20% der weiblichen Genträgern eine chronisch progrediente Myelopathie mit spastisch-ataktischer Gangstörung, distal symmetrischen sensiblen Defiziten und Blasen,- Mastdarm,- und Sexualfunktionsstörungen. Diese neurodegenerative Verlaufsform der X-ALD wird pathogenetisch in Verbindung mit der metabolischen Störung und einer chronisch neurotoxischen Wirkung hoher VLCFA Werte gebracht. 30-35% der männlichen Kinder vor dem 10. Lebensjahr sowie mindestens 20% aller männlichen Genträger im Erwachsenenalter entwickeln aus bislang ungeklärter Ursache zusätzlich entzündlich zerebrale Demyelinisierungen. Mit dem Auftreten dieser entzündlichen Hirnveränderungen verschlechtert sich die Prognose drastisch mit Entwicklung schwerster neurologischer Defektsyndrome oder Tod in über 95% der Fälle nach 3-5 Jahren. Basierend auf den guten Transplantationsergebnissen bei der kindlich zerebralen Verlaufsform, werden in der hier vorgestellten Studie erstmals Langzeit-Behandlungsergebnisse (20 bis 104 Monate post-transplant) bei 15 erwachsenen Patienten im Alter zwischen 26 und 47 Jahren nach allogener hämatopoetischer Stammzelltransplantation (aHSCT) und myeloablativer Konditionierung mit Busulfan und Cyclophosphamid vorgestellt. Elf der fünfzehn Patienten überlebten (estimated survival 73 ± 11%), 8/15 mit stabiler Kognition und 7/15 ohne weitere Progression der motorischen Defizite (estimated event-free survival 36 ± 17%). Vier Patienten starben im ersten Jahr nach aHSCT, drei in Folge schwerer Infektionen und ein Patient auf Grund einer Infekt-assoziierten Krankheitsprogression. Die detaillierte Aufarbeitung der einzelnen Krankheitsverläufe erlaubt darüber hinaus Aussagen über klinische und bildgebende Prognosefaktoren, die von großer Bedeutung für die Indikationsstellung bei zukünftigen Patienten sein können. So zeigen beispielsweise Patienten mit leichten bis mäßig ausgeprägten Symptomen (EDSS < 4) vor aHSCT deutlich bessere Langzeitergebnisse als Patienten mit bereits schweren neurologischen Defiziten (EDSS ≥ 6) vor Beginn der Behandlung. Weitere Indikatoren für ein unvorteilhaftes Langzeit-Transplantationsergebnis waren kognitive Defizite (C-Domäne des Adult ALD Clinical Score > 3) und bildgebende Faktoren wie die entzündliche Mitbeteiligung des Cerebellums oder der Pyramidenbahnen. Die Studie zeigt, dass die aHSCT nach myeloablativer Konditionierung eine effektive Behandlungsoption darstellt bei ausgewählten Patienten mit der ansonsten infaust verlaufenden, adulten zerebralen Verlaufsform der X-ALD. Bei sorgfältiger Indikationsstellung können etwa zwei Drittel der Patienten mit einem guten Langzeitergebnis rechnen, etwa ein Drittel sogar ohne weitere Krankheitsprogression (nach durchschnittlich mehr als 2 Jahren), was im krassen Gegensatz zu den Erwartungen im natürlichen Verlauf der X-ALD steht. Einschränkend muss jedoch angemerkt werden, dass in der Studie nur 15 Patienten eingeschlossen werden konnten, sodass weitere Untersuchungen mit größeren Patientenkohorten notwendig sind um die Ergebnisse zu bestätigen. Entsprechend sind bereits Vorbereitungen zur Einrichtung eines HSCT-Registers unter Beteiligung weiterer Europäischer und US-amerikanischer Transplantationszentren in Gang gesetzt worden mit dem Ziel einer systematischen retro- und prospektiven Auswertung der Transplantationsergebnisse bei adulten X-ALD Patienten.:Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 1.1 Historische Aspekte der X-chromosomalen Adrenoleukodystrophie 2 1.2 Klinische Phänotypen und Diagnostik 3 1.2.1 Endokrinologische Störungen und Symptome 6 1.2.2 Myelopathische Verlaufsformen 10 1.2.3 Kindlich zerebrale Verlaufsform 10 1.2.4 Adulte zerebrale Verlaufsform 11 1.2.5 Neurophysiologische Befunde……………………………………………….12 1.2.6 MRT Befunde………………………………………………………………….13 1.3 Pathogenese, Genetik und Biochemie 17 1.4 Aktuelle Therapieoptionen 21 1.4.1 Therapie der Nebennieren- und Gonadeninsuffizienz 21 1.4.2 Metabolische Therapie 22 1.4.3 Anti-entzündliche und anti-oxidative Behandlungsoptionen 25 1.4.4 Hämatopoetische Stammzelltransplantation 26 1.4.4.1 Ergebnisse bei kindlich zerebralen Formen 26 1.4.4.2 Rationale für die Anwendung der aHSCT bei adulter zerebraler X-ALD 29 2 Publikation 31 3 Zusammenfassung 43 4 Literaturverzeichnis 45 Darstellung des eigenen Beitrags und Erklärung 58 Selbständigkeitserklärung 59 Lebenslauf 60 Eigene Publikationen (mit Bezug zur Dissertation) 63 Danksagung 68

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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.

Im Gegensatz zum peripheren Nervensystem (PNS) ist die Regenerationsfähigkeit im adulten zentralen Nervensystem (ZNS) von Vertebraten sehr eingeschränkt. Diese eingeschrängte Regenerationsfähigkeit wird im Wesentlichen durch das Vorhandensein von Myelin im adulten ZNS determiniert. Einerseits ist dieses Lipid für die Stabilisierung und Ernährung von Axonen sowie für die schnelle Reizweiterleitung unbedingt notwendig, andererseits stellt es den größten Inhibitor axonaler Regeneration dar. Myelin ist außerdem Zielstruktur diverser ZNS Pathologien, wie z.B. der Multiplen Sklerose. Für das Verständnis dieser Pathologien sowie der auswachsinhibitorischen Wirkung von Myelin wurde der Hippocampus als eine der plastischten ZNS Regionen gewählt. Dazu waren genaue Kenntnisse der Myeloarchitektur dieses Gebietes notwendig. Nach Etablierung einer zuverlässigen Detektierung für Myelin konnten in der vorliegenden Arbeit detailliert Myelinisierungsvorgänge im sich entwickelnden, im adulten und im deafferenzierten Hippocampus der Ratte analysiert werden. Während der Entwicklung erreichen die ersten entorhinale Axone den Hippocampus bereits am embryonal Tag 17 (E17); Myelin kann jedoch erst am postnatal Tag 17 (P17) lichtmikrokopisch nachgewiesen werden. Die Anzahl myelinisierter Fasern erreicht um den P25 ein Verteilungsmuster, welches dem von adulten Tieren gleicht. Nach Entorhinaler Cortex Läsion (ECL), bei der die Durchtrennung des Tractus perforans (PP) eine Denervation des Hippocampus bewirkt, kommt es zu einem langanhaltenden Verlust von Myelin. Zehn Tage nach Läsion (10 dal), also zum Zeitpunkt maximaler Aussprossung (Sprouting), kommt es zu einem Wiederkehren myelinisierter Fasern. Mehrere myelin-assoziierte Proteine, mit wachstumshemmenden Eigenschaften sind bekannt, wie z.B. die Familie der Nogo Gene (Nogo; englisch, kein Durchkommen). Diese werden ganz entschieden für den Verlust der Regenerationsfähigkeit des adulten ZNS verantwortlich gemacht. In der vorliegenden Arbeit wird die Expression der drei Nogo Gene (Nogo-A, -B, - C) und deren Rezeptor (Ng66R) während der postnatalen Entwicklung, im adulten ZNS sowie nach Läsion beschrieben. Ein erster überraschender Befund war die neuronale Expression der Nogos, die bisher nur in Oligodendrocyten nachgewiesen worden war. Zu einem Zeitpunkt, an dem entorhinale Fasern bereits in den Hippocampus eingewachsen, aber noch nicht myelinisiert sind (P0), wird Nogo-A, -B und Ng66R mRNA mit Ausnahme der Körnerzellschicht des Gyrus dentatus in allen Zellschichten des sich entwickelnden Hippocampus detektiert. Nogo-C und myelin basic protein (MBP) mRNA, werden erst am P15 expremiert, zu einem Zeitpunkt also, an dem myelinisierte Fasern erstmalig im Hippocampus auftreten. MBP wird ausschließlich in glialen, Nogo-C hingegen hauptsächlich in neuronalen Zellen exprimiert. Nach Deafferenzierung zeigt sich eine dynamische und Isoform- spezifische Regulation aller Nogo Transkripte. So zeigen die als erste von der Deafferenzierung betroffenen Körnerzellen zu Beginn der Waller`schen Degeneration sowie der neuronalen und glialen Antwort, eine starke Erhöhung aller Nogo Transkripte. Zum Zeitpunkt der maximalen Aussprossung kam es zu einem signifikanten Abfall der Nogo-C und Ng66R mRNA Expression, währendessen Nogo-A und Nogo-B bereits wieder das Kontrollniveau erreicht hatten. Vor allem im contralateralen Hippocampus, dem Hauptquellgebiet sproutender Fasern, imponierte die Runterregulation von Ng66R mRNA und zeigte erst nach Abschluß von axonalen Sproutingprozessen und der Synapsenformation wieder vergleichbare Werte mit den Kontrolltieren. Diese Korrelation der erniedrigten Ng66R Expression im contralateralen Hippocampus und dem axonalen Einwachsen in den deafferenzierten Hippocampus, läßt eine reduzierte axonale Ansprechbarkeit auf den Neuriten-Auswachshemmer Nogo-A vermuten, da bekannt ist, dass Axone, die kein Ng66R exprimieren, nicht durch die Nogo Gene im Wachstum gehemmt werden. Zusammenfassend kommt es während der Entwicklung und in der Reorganisationsphase zu einer spezifischen und geordneten Myelinisierung im Hippocampus. Die neuronale Expression von Nogo- A, -B und -C in einer so plastischen ZNS- Region unterstützt die Hypothese, dass den Nogo- Genen neben der reinen Hemmung von axonalen Auswachsen weitere Funktionen zuzuordnen sind. So scheinen sie vor allem während der Entwicklung und während der Stabilisierungsphase der hippocampalen Reorganisation eine wichtige Rolle einzunehmen. Die hier dargestellten Daten zeigen auf, dass vor einem therapeutischen Einsatz von Nogo- Antagonisten nach Schädigung deren Verträglichkeit bzw. unerwünschte Nebeneffekte ausgeschlossen werden müssen. / Compared to the peripheral neuronal system (PNS) the reorganisation capacity in the adult central neuronal system (CNS) is highly restricted. One important reason for the lack of reorganisation is the existence of myelin in the CNS. Myelin is crucial for the stabilization of axonal projections in the developing and adult mammalian brain. However, myelin components also act as a non-permissive and repellent substrate of outgrowing axons. In these thesis the appearance of mature, fully myelinated axons during hippocampal development and following entorhinal cortex lesion with the myelin-specific marker Black Gold is reported. Althrough entorhinal axons enter the hippocampal formation at the embryonic day 17, light and ultrastructural analysis revealed that mature myelinated fibres in the hippocampus occur in the second postnatal week. During postnatal development, increasing numbers of myelinated fibers appear and the distribution of myelinated fibers at postnatal day 25 was similar to that found in the adult. After entorhinal cortex lesion, a specific anterograde denervation in the hippocampus takes place, accompanied by a long- lasting loss of myelin. Quantitative analysis of myelin and myelin breakdown products at different time points after lesion revealed a temporally close correlation to the degeneration and reorganisation phases in the hippocampus. In conclusion, it could be shown that the appearance of mature axons in the hippocampus is temporally regulated during development. Reappearing mature axons were found in the hippocampus following axonal sprouting. Various myelin-associated proteins, with neurite inhibition properties are known. One is the family of Nogo genes (no go). They are distinctly responsible for the lack of reorganisation. In these thesis the expression pattern of Nogo-A, Nogo-B, Nogo-C and Nogo-66 receptor (Ng66R) mRNA during hippocampal development and lesion induced axonal sprouting is reported. The first surprising result was the neuronal expression of all Nogos, who were supposed to be only expressed by oligodendrocytes. Nogo-A, Nogo-B and Ng66R transcrips preceded the process of myelination and were highly expressed at postnatal day zero (P0) in all principal hippocampal cell layers, with the exception of dentate granule cells. Only a slight Nogo-C expression was found at P0 in the principal cell layers of the hippocampus. During adulthood, all Nogo splice variants and their receptor were expressed in the neuronal cell layers of the hippocampus, in contrast to the myelin basic protein mRNA expression pattern, which revealed a neuronal source of Nogo gene expression in addition to oligodendrocytes. After hippocampal denervation, the Nogo genes showed an isoform-specific temporal regulation. All Nogo genes were strongly regulated in the hippocampal cell layers, wheras the Ng66R transcrips showed a significant increase in the contralateral cortex. These data could be confirmed on protein levels. Futhermore, Nogo-A expression was up-regulated after kainat- induced seizure. These data show that neurons express Nogo genes with a clearly distinguishable pattern during development. This expression is further dynamically and isoform-specifically altered after lesioning during the early phase of structural rearrangements. Thus, these results indicate a role for Nogo-A, -B and –C during development and during stabilisation phase of hippocampal reorganization. Taken together with these data, the findings that neurons in a highly plastic brain region express Nogo genes supports the hypothesis that Nogo may function beyond its known neuronal growth inhibition activity in shaping neuronal circuits.