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Hjärnan innehåller bland annat neuroner och glia celler. Soma där nukleus samt nissl substans påträffas samt axon som isoleras av myelin anträffas i en neuron. Genom färgningen Luxol Fast Blue (LFB) med kresylviolett färgas myelinet blått av LFB och cellkärnor samt nissl substans rosa-violett av kresylviolett. Syftet med studien var att optimera Luxol Fast Blue med kresylviolett infärgningsmetoden på hjärnvävnad med avseende på koncentration, mängd tillsatt 10 % ättiksyra och därmed pH, färgning i värme samt undersöka kresylviolett-lösningens hållbarhet. Från färgningen graderades LFB intensiteten, kresylviolett intensiteten samt bakgrunds infärgning av kresylviolett från 0-3 där 0 ansågs en negativ infärgning, 1 en svag infärgning, 2 en måttlig infärgning och 3 en stark infärgning. Infärgningen optimerades genom en ökning av kresylviolett koncentrationen där koncentrationen 0,05 % ansågs optimalt. En tillsatt mängd av 10 % ättiksyra tills pH:et når 3,3-3,4 konkluderades även vara optimalt. 0,05 % kresylviolett-lösningen visades även kunna återanvändas i åtminstone 5 veckor, men troligtvis längre, och färgningen med kresylviolett-lösningen bör ske i rumstemperatur. / The brain contains, among other things, neurons and glial cells. Soma where nucleus and nissl substance are found and axon isolated by myelin is found in a neuron. Through the staining Luxol Fast Blue (LFB) with cresyl violet, the myelin is colored blue by LFB and cell nuclei as well as nissl substance pink-violet by cresyl violet. The purpose of the study was to optimize Luxol Fast Blue with the cresyl violet staining method on brain tissue with respect to concentration, amount of added 10 % acetic acid and thus pH, dyeing in heat and to investigate the durability of the cresyl violet solution. From the staining, the LFB intensity, the cresyl violet intensity and the background staining of cresyl violet were graded from 0-3 where 0 was considered a negative staining, 1 a weak staining, 2 a moderate staining and 3 a strong staining. The staining was optimized by an increase in the cresyl violet concentration where the concentration of 0,05 % was considered optimal. An added amount of 10 % acetic acid until the pH reaches 3,3-3,4 was also concluded to be optimal. The 0,05 % cresyl violet solution was also shown to be reusable for at least 5 weeks, but probably longer, and the staining with the cresyl violet solution should take place at room temperature.

Die Entwicklung von Autoimmunerkrankungen wird durch eine Vielzahl verschiedener Faktoren verursacht, darunter gewisse Umwelteinflüsse, genetische Veranlagungen oder Virusinfektionen. So vielfältig die Ursprünge von Autoimmunerkrankungen sind, so divers sind die daraus resultierenden Erkrankungen, wodurch die Entwicklung zuverlässiger Therapien erschwert wird. Obwohl verschiedene Behandlungsmöglichkeiten existieren, welche die Symptome bei Autoimmunerkrankungen wie neuroinflammatorischer Multipler Sklerose (MS) mildern können, z.B. mit monoklonalen Antikörpern (mAk), wirken die meisten Medikamente breit und unspezifisch. Dies beeinträchtigt die Funktionalität des Immunsystems, was wiederum zu einem höheren Risiko für bakterielle und virale Infektionen, maligne Erkrankungen oder sekundäre Autoimmunität führen kann. Andere Therapieansätze untersuchen daher Möglichkeiten einer Antigen-abhängigen Immuntoleranz-Induktion. Allerdings befinden sich diese noch in den frühen Entwicklungsphasen und deren klinische Wirksamkeit muss noch bewiesen werden. Alternativ hat es sich in der onkologischen Immuntherapie als erfolgreich erwiesen, entweder natürliche oder gentechnisch veränderte Immunzellen zu aktivieren. Bisher wurden humane T-Zellen, welche mit Hilfe chimärer Antigenrezeptoren (CAR) mit ausgewählter Spezifität ausgestattet sind, sehr erfolgreich in der Klinik gegen Tumorerkrankungen genutzt. Basierend auf diesen klinischen Erfolgen stellt sich die Frage, ob CAR T-Zellen auch zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen eingesetzt werden können. Herkömmlichen CAR T-Zellen mangelt es jedoch sowohl an Flexibilität als auch an Kontrollierbarkeit, da sie mit einem CAR gegen ein einzelnes Antigen ausgestattet sind und in Gegenwart des Zielantigens dauerhaft aktiviert und nicht kontrollierbar sind. Um Limitationen konventioneller CARs zu überwinden, wurden universelle Adapter-CARs (UniCARs, RevCARs) in der Gruppe von Prof. Bachmann entwickelt. Die modulare UniCAR-Plattform besteht aus universell einsetzbaren UniCAR T-Zellen und anpassbaren antigenspezifischen Zielmodulen (TMs). Die Bindungseinheit des UniCAR basiert auf einem mAk mit Spezifität gegen ein Peptidepitop, das Teil des TMs ist und welches spezifisch an Zielantigene auf Tumorzellen bindet. Das TM fungiert als Adaptermolekül, das eine Vernetzung der UniCAR T-Zelle mit der Zielzelle herstellt. Nach der Vernetzung mit der Zielzelle über das TM wird die UniCAR T-Zelle aktiviert, so dass die Zielzelle eliminiert wird. Eine vor Kurzem vorgenommene Modifikation der extrazellulären UniCAR-Domäne führte zu der Reverse CAR (RevCAR)-Plattform, welche die Spezifität und Sicherheit noch weiter erhöhen sowie tonische Signale konventioneller CARs reduzieren soll. Dabei wurde die extrazelluläre mAk-basierte UniCAR-Domäne mit dem Peptidepitop des TM ausgetauscht. Eines der am besten untersuchten Autoantigene bei neuroinflammatorischen Erkrankungen ist das Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein (MOG). Dieses Protein befindet sich ausschließlich im zentralen Nervensystem an der abaxonalen Membran der nervenschützenden Myelinscheide. Obwohl neuroinflammatorische Erkrankungen wie MS hauptsächlich durch T-Zellen verursacht werden, wurden bei MS-Patienten auch Autoantikörper gegen MOG nachgewiesen, was auf die Beteiligung autoreaktiver B-Zellen an der Verschlimmerung der Krankheit hinweist. Diese Ergebnisse werden durch die wirksame Behandlung von MS-Patienten mit anti-CD20-mAks belegt. In dieser Arbeit wurde MOG als erstes Modell-Zielantigen für das Retargeting von CAR-modifizierten T-Zellen gegen anti-MOG-Ak-exprimierende humane Zellen verwendet. Ziel dieser Arbeit war neue TMs basierend auf der extrazellulären Domäne des MOG Antigens zu entwickeln, die dazu dienen, UniCAR oder RevCAR T-Zellen zur Eliminierung von anti-MOG Ak-exprimierenden Zielzellen zu aktivieren. Zur Bestimmung des optimalen MOG-Antigen TM-Formats wurden für die UniCAR-Plattform ein monovalentes (25 kDa) und ein bivalentes MOG-Antigen TM (50 kDa) entwickelt. Die Wirksamkeit des UniCAR-Systems wurde in vitro demonstriert. Es konnte dabei gezeigt werden, dass beide TMs bereits nach einer kurzen Inkubationszeit von 8 Stunden eine TM-spezifische Lyse Anti-MOG scFv-exprimierender menschlicher Zelllinien durch UniCAR-T-Zellen vermitteln. Darüber hinaus war es möglich, das zytotoxische Potential der UniCAR-T-Zellen durch die Dosierung der TMs zu kontrollieren. Um zu überprüfen, ob der Effekt basierend auf der UniCAR-Platform gegen anti-MOG scFv-exprimierende Zielzellen noch gesteigert werden kann, wurde ein monovalentes MOG-Antigen RevTM für die RevCAR-Plattform entwickelt. In Kombination mit RevCAR-T-Zellen übertraf die Anwendung des RevTM beide UniCAR TMs hinsichtlich Bindungsaffinität und dosisabhängiger Zytotoxizität gegen zwei anti-MOG scFv-exprimierende Zelllinien in vitro. Außerdem war die Freisetzung proinflammatorischer und T-Zellwachstum-fördernder Zytokine im Vergleich zu UniCAR T-Zellen höher und ausgeprägter. Weiterhin wurde die Funktionalität des RevCAR-Systems gegen anti-MOG-scFv-exprimierende Zielzellen in vivo bewiesen. Zusammenfassend kann geschlussfolgert werden, dass die modularen Adapter-CAR T-Zell-Plattformen neben der Krebsimmuntherapie auch bemerkenswertes Potential für die Behandlung von MOG-assoziierten Autoimmunerkrankungen hat. Damit konnte ein erster Grundstein dafür gelegt werden, CAR T-Zellen auf die Anwendung in Autoimmunerkrankungen zu übertragen, um zukünftig gezielt fehlerhafte Immunzellen zu beseitigen, die nachweislich zur Verschlimmerung von Autoimmunerkrankungen beitragen.:Table of contents I List of abbreviations VI 1 Introduction 1 1.1 The human immune system 2 1.2 B cells and antibodies 3 1.2.1 Antibody structure 3 1.2.2 Tolerance induction 4 1.2.3 B cell activation 5 1.2.4 B cell functions in autoimmune diseases 6 1.3 Multiple sclerosis – an example for neuroinflammatory demyelination diseases 8 1.3.1.1 Disease phenotypes 9 1.3.1.2 Immunopathogenesis 9 1.3.2 Autoantigen myelin oligodendrocyte glycoprotein 11 1.4 Immunotherapy 14 1.4.1 Monoclonal antibody therapy 14 1.4.2 Chimeric antigen receptor therapy 16 1.4.2.1 UniCAR and RevCAR T cell system 18 1.4.2.2 CAR T cells in autoimmune diseases 22 1.5 Objectives 23 2 Materials and Methods 25 2.1 Materials 25 2.1.1 Consumables 25 2.1.2 Devices and software 27 2.1.3 Chemicals and reagents 32 2.1.4 Buffers and solutions 36 2.1.5 Enzymes and enzyme buffers 38 2.1.6 Kit systems 39 2.1.7 Plasmid vectors 39 2.1.8 Oligonucleotides 41 2.1.9 Antibodies 41 2.1.10 Basic media, additives, and recombinant proteins 43 2.1.11 Composition of culture media 44 2.1.12 Bacterial strain 46 2.1.13 Cell lines 46 2.1.14 Mouse strain 47 2.2 Methods 47 2.2.1 Molecular biological and microbiology methods 47 2.2.1.1 DNA digestion with restriction enzymes 47 2.2.1.2 Dephosphorylation of vectors 48 2.2.1.3 Agarose gel electrophoresis 48 2.2.1.4 Isolation and purification of DNA fragments from agarose gels 48 2.2.1.5 Ligation of DNA fragments 49 2.2.1.6 Heat-shock transformation of competent E. colis 49 2.2.1.7 Plasmid mini preparation 49 2.2.1.8 Plasmid midi preparation 50 2.2.1.9 Determination of DNA concentration 50 2.2.1.10 DNA sequencing 50 2.2.2 Cell biology methods 50 2.2.2.1 Cultivation of eukaryotic cells 50 2.2.2.2 Freezing and thawing cultured cells 51 2.2.2.3 Determination of cell number 52 2.2.2.4 Lentiviral transduction of eukaryotic cells 52 2.2.2.5 Immunofluorescence labeling 54 2.2.2.6 Flow cytometry and analysis of flow cytometry data 55 2.2.2.7 Isolation of human peripheral blood mononuclear cells 57 2.2.2.8 Isolation of T cells from PBMCs with magnetic-activated cell sorting 58 2.2.2.9 Stimulation of isolated human T cells 58 2.2.2.10 Engraftment of T cells with chimeric antigen receptors 59 2.2.3 Methods of protein biochemistry 59 2.2.3.1 Isolation of target module constructs 59 2.2.3.2 Dialysis of purified target module constructs 60 2.2.3.3 Discontinuous Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis 60 2.2.3.4 Determination of concentration and immunochemical detection of target module constructs 62 2.2.3.5 Determination of binding affinities of target modules using enzyme-linked immunosorbent assay 63 2.2.4 In vitro functional studies 64 2.2.4.1 T cell activation and exhaustion assay 65 2.2.4.2 Luciferase assay (cytotoxicity assay) 65 2.2.4.3 Determination of cytokine concentration 65 2.2.5 In vivo functionality studies 66 2.2.5.1 Evaluation of tumor killing in vivo 66 2.2.5.2 Optical imaging of luciferase-expressing tumors in vivo 67 2.2.6 Statistical evaluation 67 3 Results 68 3.1 Design and generation of novel MOG target modules 68 3.1.1 MOG target module constructs 68 3.1.2 Expression of target modules 69 3.2 Establishment of scFv MOG-presenting cell models 72 3.3 Binding properties of MOG target modules 74 3.3.1 Determination of binding affinity between anti-MOG antibody and MOG target modules with enzyme-linked immunosorbent assay 74 3.3.2 Determination of binding affinity between anti-MOG receptor-expressing cell lines and MOG target modules with flow cytometry 75 3.4 Generation of human CAR-expressing T cells and binding of MOG target modules 80 3.4.1.1 Genetic modification of human T cells for UniCAR expression 81 3.4.1.2 Genetic modification of human T cells for RevCAR expression 83 3.5 Redirection of UniCAR T cells in vitro 85 3.5.1 Activation of redirected UniCAR T cells 85 3.5.2 Cytokine profile of redirected UniCAR T cells 87 3.5.3 Elimination of scFv MOG-positive target cells by UniCAR T cells 89 3.5.3.1 Time-dependent retargeting of scFv MOG-positive target cells by UniCAR T cells 89 3.5.3.2 Efficacy of UniCAR target modules 91 3.6 Redirection of RevCAR T cells in vitro 92 3.6.1 Activation of redirected RevCAR T cells 92 3.6.2 Cytokine profile of redirected RevCAR T cells 95 3.6.3 Elimination of scFv MOG-positive target cells by RevCAR T cells 99 3.6.3.1 Time-dependent retargeting of scFv MOG-positive target cells using RevCAR T cells 99 3.6.3.2 Efficacy of RevCAR target module 101 3.7 Investigation of RevCAR T cell-mediated cytotoxicity in vivo 103 4 Discussion 105 4.1 Structure and purification of MOG target modules 106 4.2 Expression and purification of target modules 107 4.3 Binding properties of MOG target modules 107 4.4 In vitro cytotoxic potential of UniCAR and RevCAR T cells redirected by MOG target modules 110 4.4.1 Target module-specific redirection of UniCAR T cells to scFv MOG-expressing target cells 110 4.4.2 Target module-specific redirection of RevCAR T cells to scFv MOG-expressing target cells 112 4.5 Future prospective 116 5 Summary 119 6 Zusammenfassung 121 7 References 124 List of figures 145 List of tables 147 Acknowledgement 148

Die vorliegende Arbeit behandelte den Einfluss von membran-assoziierten Faktoren im Hippocampus auf das axonale Wachstum, zum einen während der Entwicklung des entorhino-hippocampalen Systems und zum anderen nach Deafferenzierung des adulten Hippocampus. Mit Hilfe des Streifenassays und des Längenauswachsassays wurden zuerst die maturationsabhängigen Eigenschaften von membran-assoziierten Faktoren im Hippocampus getestet. Es zeigte sich, dass entorhinale Axone zwischen ihrem normotypischen Zielgebiet und Kontrollregionen diskrimieren können und bevorzugt auf Membranen ihres Zielgebiets wachsen. Im Folgenden wurden dann Axonen hippocampale Membranen unterschiedlicher Entwicklungsstadien im Streifenassay angeboten. In diesem experimentellen Ansatz wuchsen entorhinale Axone präferenziell auf jenen hippocampalen Membranen, die aus dem Entwicklungsstadium stammen, in den die entorhinalen Fasern in vivo in den Hippocampus einwachsen. Diese Experimente ergaben, dass das in vivo zeitlich genau regulierte Einwachsen entorhinaler Fasern in den Hippocampus von membran-assoziierten Faktoren determiniert ist und ein Zeitfenster für das Vorhandensein dieser Faktoren im Hippocampus existiert. Eines der wesentlichen Charakteristika der Maturation des zentralen Nervensystem ist die Bildung von Myelin und die Myelinisierung von Fasertrakten. Immunozytochemische Analysen mit Myelin-spezifischen Markern ergaben, dass dieses maturationsabhängige Auswachsverhalten zeitlich gut mit der Myelinisierung dieser Hirnregion korreliert. Eine Reihe von in vivo und in vitro Experimenten verschiedener Arbeitsgruppen demonstrierten, dass Myelin starke auswachsinhibitorische Eigenschaften hat, die sogar den Kollaps von Wachstumskolben induzieren können. In Längenauswachsassays zeigte sich, dass Myelin einen starken inhibitorischen Effekt auf das Längenwachstum von entorhinalen Axonen hat. Mit physikalischen Separationstechniken und unter Verwendung des funktionellen Antikörpers gegen inhibitorische Myelinproteine (IN-1) konnte dieser Effekt neutralisiert werden und das neuronale Längenwachstum war wieder vergleichbar zur Kontrollsituation. Untersuchungen im Streifenassay ergaben zusätzlich, dass das wachstumsinhibitorische Myelin und seine Komponenten keine axonalen Lenkungseigenschaften hatte und die gerichtete Zielfindung axonalen Auswachsens nicht beeinflusst. In weiteren Experimenten wurden die membran-assoziierten Faktoren im deafferenzierten Hippocampus untersucht. Dabei zeigte sich, dass nach einer Läsion wachstumsfördernde Faktoren in hippocampalen Membranen vorliegen. Zusätzlich liegen in einem engen Zeitfenster axonale Lenkungsmoleküle vor mit vergleichbarer Attraktivität für entorhinale Axone, wie sie aus entsprechenden Entwicklungsstadien bekannt sind. Die Experimente lassen den Schluss zu, dass im deafferenzierten Hippocampus Faktoren läsionsinduziert werden, und dass diese Faktoren membran-assoziiert sind. Es wird seit langem angenommen, dass das ZNS von adulten Vertebraten in seinem zellulären Zustand determiniert ist und zu keinen grösseren plastischen Veränderungen fähig ist. Gerade nach einer Schädigung von adultem ZNS ist die Regenerationsfähigkeit im Unterschied zu jungen, postnatalen ZNS sehr eingeschränkt. Die beschränkte Regenerationsfähigkeit des adulten ZNS ist wesentlich determiniert durch die Präsenz des auswachsinhibitorischen Myelins. Nichtsdestotrotz gibt es kompensatorisches Sprouting im Hippocampus, die verlorengegangene synaptische Kontakte ersetzen. Die Identifizierung der Faktoren, die das schichten-spezifische Einwachsen aussprossender Axone kontrollieren, trägt wesentlich zum Verständnis dieses Phänomens bei. Weiterhin wird die Aufklärung der zugrundeliegenden molekularen Faktoren für die spezifische Zielerkennung und deren Charakterisierung uns helfen, das Potential und die Limitation der Regeneration im ZNS besser zu verstehen und die Möglichkeit eröffnen, einmal verlorengegangene neuronale Verbindungen durch therapeutische Intervention wieder spezifisch aufzubauen. / In this study, the impact of membrane-associated factors on axonal outgrowth during development and following lesion was examined. We studied the maturation-dependent features of membrane-associated molecules in the hippocampus with the stripe assay for guidance activity and with the outgrowth assay for outgrowth-supporting activity. We could show that entorhinal axons discriminate between their proper target area, the hippocampus, and control regions which do not receive synaptic connections from the entorhinal cortex, and preferred to grow on hippocampal membranes. Further, we examined guidance preferences of entorhinal neurites on hippocampal membranes in different developmental stages. The choice behavior of entorhinal neurites for hippocampal membranes temporally correlates with the ingrowth of the perforant path into the hippocampus and with the stabilization of this brain area in vivo, and further indicate the transient presence of membrane-associated guidance cues in the hippocampus. One of the characteristics of maturational processes in the central nervous system is the developmentally regulated myelination of fiber tracts. Comparison of the stripe assay data with immunohistochemical analysis for MBP and MAG as representative myelin markers revealed a correlation between the changes in axonal choice behavior and increasing myelination. It is known that myelin itself is a strong axonal outgrowth inhibitor and that myelin can also induce growth cone collapse. In outgrowth assays, we could show that myelin has a strong outgrowth inhibitory influence on entorhinal axons which can be neutralized by the monoclonal antibody IN-1. However, in the stripe assay, myelin did not influence the choice behavior of outgrowing axons and this indicates that myelin does not govern information for directed growth. Furthermore, stripe assays were performed with membranes obtained from deafferented hippocampi at various lesion stages. In these experiments, we could show that outgrowth-promoting factors are present in the lesioned hippocampus. Moreover, data from the stripe assay revealed the timely restricted presence of membrane-bound guidance factors which are equally as attractive as neonatal hippocampal membranes. These experiments indicate the lesion-induced expression of outgrowth-promoting factors in the hippocampus, which correlates temporally with the sprouting reaction in vivo. It is suggested that the central nervous system of adult vertebrates is determined in its cellular condition and not capable of structural changes. This is most evident following lesion of adult brain, where the ability for regeneration is highly restricted in comparison to young, postnatal neural tissue. This restricted ability for regeneration in the adult brain is essentially determined by the presence of outgrowth-inhibitory myelin. However, a compensatory sprouting response exists in the adult hippocampus following lesion, which leads to a layer-specific replacement of lost synaptic contacts. The identification of these factors will lead to a deeper understanding of layer-specific axonal sprouting and synaptic replacement. Further, the identification and characterization of the underlying factors will help us to understand the potential and limitations of regeneration in the central nervous system.

Thesis (MScMedSc (Pathology. Chemical Pathology))--University of Stellenbosch, 2010. / Bibliography / ENGLISH ABSTRACT: The aetiology of multiple sclerosis (MS) remains largely unknown, due to its multifactorial nature with environmental and genetic factors contributing to the risk. Several investigations highlighted the important role of the genetic component influencing disease susceptibility and progression. In the present study genetic variations in the MTHFR (1298 A>C and 677 C>T) and HFE (845 G>A) genes previously, shown to affect folate and iron metabolism respectively, were studied in the context of MS. The aim of the study was to contribute the laboratory component of a pathology supported genetic testing approach used to identify a subgroup of MS patients with altered nutritional requirements due to genetic susceptibilities. The study population included 90 patients with a clinical diagnosis of MS and 49 control individuals, without any signs or symptoms of the disease, drawn from the same age- and population group. Three mutation detection systems were compared in terms of accuracy, sensitivity, cost effectiveness and ease of operation in relation to the MTHFR and HFE gene mutations analysed. Analytical validity of the genetic assays was an important consideration; therefore the respective real-time polymerase chain reaction (RT-PCR) methods were compared with direct DNA sequencing as the gold standard. The methodology included use of the ABI™ 7900HT, the Roche LightCycler® 480 II system and the Corbett Rotor-Gene™ 6000 5-plex HRM. The same genotype results were obtained for the DNA samples tested with the three RT-PCR methods. In terms of cost effectiveness, ease of operation and optimization, the Corbett Rotor-Gene™ 6000 5-plex HRM thermal cycler, with use of the ABI™ TaqMan Genotyping assays was found to be the most efficient for mutation detection using relatively small sample batches. Following successful standardization of the RT-PCR assays, genotype-phenotype correlation studies was performed in a subset of 43 MS patients with available data. Biochemical tests were previously done on blood samples at the National Health Laboratory Service (NHLS) chemical pathology laboratory at Tygerberg Academic Hospital. A novel finding of this study was that heterozygotes and homozygotes for mutation 1298 A>C in the MTHFR gene presented with lower serum iron levels (12.37 ± 5.91 μmol/l) in comparison to subjects without the C-allele (18.64 ± 7.15 μmol/l; P = 0.02). Furthermore, C-reactive protein (CRP) levels were found to be marginally significantly higher (P = 0.07) in the MTHFR 1298 A>C mutation-positive heterozygotes compared to subjects without the C-allele (6.65 ± 4.96 mg/l vs 2.93 ± 2.31 mg/l), linking inflammation to the presence of the MTHFR 1298 A>C mutation. In comparison, the MTHFR 677 C>T as well as the HFE 845 G>A mutation showed no correlation with transferrin saturation, ferritin, haemoglobin or CRP levels. The absence of increased iron status in HFE mutation carriers was in accordance previous findings suggesting altered iron metabolism in MS patients with this mutation. For the first time, high-throughput assays for functional polymorphisms in the MTHFR and HFE genes can now be offered as a routine service at the Tygerberg Academic Hospital. This application is used in combination with blood biochemistry tests as part of a comprehensive gene-based, pathology supported screening and intervention program aimed at improved quality of life in patients diagnosed with MS. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die etiologie van meervoudige sklerose (MS) is nog grootendeels onbekend, as gevolg van die multifaktoriale aard van die siekte, met omgewings- en genetiese faktore wat bydra tot die risiko. 'n Aantal ondersoeke het reeds die belangrikheid van die genetiese komponent vir die vatbaarheid vir die siekte en die progressie daarvan beklemtoon. In die huidige studie was genetiese variasies in die MTHFR (1298 A>C en 677 C>T) en HFE (845 G>A) gene bestudeer wat voorheen getoon het dat dit foliensuur- enystermetabolisme respektiewelik in die konteks van MS affekteer. Die doel van die studie was om die laboratorium komponent van 'n patologie-ondersteunde genetiese toets daar te stel wat gebruik kan word om 'n subgroep van MS pasiënte te identifiseer wat veranderderde voedingsbehoeftes het as gevolg van genetiese vatbaarheid. Die studiepopulasie het bestaan uit 90 pasiënte met 'n kliniese diagnose van MS en 49 kontroles sonder enige tekens of simptome van die siekte, wat ingesluit is vanuit dieselfde ouderdoms- en populasiegroep . Drie mutasie analise sisteme was vergelyk in terme van akkuraatheid, sensitwiteit, kostedoeltreffendheid en gemak van gebruik met betrekking tot die MTHFR en HFE geen mutasies. Analitiese geldigheid van die genetiese toetse was 'n belangrike oorweging; daarom was die onderskeie rieëltyd polimerase kettingreaksie (RT-PKR) metodes vergelyk met direkte DNA volgordebepaling as die goue standaard. Die metodologie het die ABI™ 7900HT, die Roche LightCycler® 480 II sisteem en die Corbett Rotor-Gene™ 6000 5-plex HRM ingesluit. Dieselfde genotipe resultate was met die verskillende metodes verkry vir die DNA monsters wat getoets is met die drie RT-PKR metodes. Wat betref kostedoeltreffendheid, gemak van gebruik en optimisering, was die gebruik van die Corbett Rotor-Gene™ 6000 5-plex HRM Thermal Cycler, met die ABI™ TaqMan Genotyping essays die mees effektief vir mutasie opsporing van relatief klein getalle monsters. Nadat die RT-PKR toetse suksesvol gestandardiseer was, was genotipe-fenotipe korrelasies uitgevoer in 'n subgroep van 43 MS pasiënte met die beskikbare data. Biochemiese toetse was voorheen gedoen op die betrokke bloedmonsters by die Nationale Gesondheid Laboratorium Diens (NHLS) se chemiese patologie laboratorium by Tygerberg Akademiese Hospitaal. 'n Nuwe bevinding van hierdie studie was dat heterosigote en homosigote vir die MTHFR 1298 A>C mutasie gepresenteer het met laer serum yster vlakke (12.37 ± 5.91 μmol/l) in vergelyking met individue sonder die C-alleel (18.64 ± 7.15 μmol/l; P = 0.02). Verder was die C-reaktiewe proteien (CRP) marginaal betekenisvol hoër (P = 0.07) in die MTHFR 1298 A>C heterosigote in vergelyking met individue sonder die C alleel (6.65 ± 4.96 mg/l vs 2.93 ± 2.31 mg/l), wat aandui dat inflammasie verhoog mag wees in die teenwoordigheid van die MTHFR 1298 A>C mutasie. In vergelyking hiermee het die MTHFR 677 C>T sowel as die HFE 845 G>A mutasies geen korrelasie met transferrien versadiging, ferritien, hemoglobien of CRP-vlakke getoon nie. Die afwesigheid van verhoogde yster status in MS pasiënte met die HFE mutasie was in ooreenstemming met vorige bevindinge wat veranderde ystermetabolisme in MS pasiënte met hierdie mutasie aangedui het. Vir die eerste keer is hoë deurvoer genetiese toetse nou vir funksionele polimorfismes in die MTHFR en HFE gene beskikbaar as 'n roetiene diens by die Tygerberg Akademiese Hospitaal. Dit kan gebruik word saam met bloed biochemiese toetse as deel van 'n omvattende geen-gebaseerde, patologie ondersteunde intervensie program wat daarop gemik is om die kwaliteit van lewe van pasiënte gediagnoseer met MS te verbeter. / Medical Research Council

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie démyélinisante dont les causes ne sont pas encore bien élucidées. Cependant, l’implication des réponses auto-immunes dans la mort des oligodendrocytes engendrant la destruction des gaines de myéline et le disfonctionnement axonal est bien documentée. Les thérapies actuelles utilisant des agents anti-inflammatoires et immunomodulateurs ciblent la réduction de l’inflammation et la progression de la maladie, mais leur efficacité reste limitée et décroit après un long traitement. Toutefois, une nouvelle stratégie de traitement, basée sur la capacité endogène du cerveau à réparer la myéline, commence à voir le jour.L’utilisation des hormones stéroïdes offre une grande opportunité, compte tenu de leurs actions pléiotropiques à la fois au cours du développement et chez les sujets adultes. Notre étude montre que les androgènes et les progéstagènes jouent un rôle très important dans la prolifération des oligodendrocytes et dans la réparation de la myéline. Ces stéroïdes permettent une remyélinisation au niveau des cultures organotypiques du cervelet de souris ou de rats après une démyélinisation par la lysolécithine. En outre, l’utilisation des souris knock-out pour le récepteur de la progestérone (PR-KO) montre l’importance de ce récepteur dans l’effet promyélinisant de la progestérone. De même, l’effet pro-remyélinisant des androgènes passe par l’intermédiaire de leur récepteur nucléaire (AR) puisque la Flutamide, agent antagonisant ces récepteurs, aboli complétement cette action. De même, l’utilisation des souris knock-out pour le récepteur de la progestérone montre l’importance de ce récepteur dans l’effet promyélinisant de la progestérone.L’influence de la testostérone et des ces métabolites sur la réparation de la myéline au niveau du corps calleux est aussi montrée in vivo, en traitant les souris C57Bl/6 par la cuprizone pendant 12 à 14 semaines. Le traitement de ces souris par la testostérone ou ces métabolites 5α- dihydrotestosterone (5α-DHT), 17β-estradiol ou par un agoniste synthétique fort, le 7α-methyl-19-nortestosterone (MENT) pendant 6 semaines, induit un remarquable recrutement des progéniteurs d’oligodendrocytes, suivie par une importante remyélinisation des zones démyélinisées. Le mécanisme d’action de ces androgènes implique le récepteur AR puisque aucun effet promyélinisant n’a été observé chez les souris dont l’AR est muté (tfm : testicular feminization mutation) et les souris ARNes/cre (mutation conditionnelle de l’AR dans les neurones et les cellules macrogliales). Les souris ArKO (Aromatse Knoctout) ne pouvant pas convertir la testostérone en estradiol sont aussi insensibles au traitement par la testérone.Ces travaux montrent que les stéroïdes jouent un rôle très important dans la remyélinisation in vitro et in vivo, fournissant une preuve expérimentale pour une utilisation des stéroïdes dans des essais cliniques futurs visant à réparer la myéline. / Multiple sclerosis (MS) is a very prominent demyelinating disease. The cause of demyelination in MS is not clear, however, it involves autoimmune responses and the death of oligodendrocytes accompanied by myelin destruction and axonal dysfunction. Currently available therapies including anti-inflammatory agents and immunomodulators are targeted to reduce inflammation and disease progression but their limited efficacy further decrease after prolonged treatment.However, another therapeutic strategy has gained recently much interest, is to boost the endogenous capacity of the brain to repair myelin.Steroid hormones offer an opportunity for therapeutic interventions in a wide range of tissue abnormalities because of their multiple actions during development and in adulthood. Our studies show that androgens and progestagens play pivotal role in oligodendrocyte proliferation and subsequent myelination. Androgens or progestagens promote remyelination after lysolecithin mediated myelin insult of organotypic cerebellar slices in culture. Moreover, remyelinating effects of testosterone can be blocked by flutamide, an androgen receptor (AR) inhibitor. Also, the remyelination induced by progestagens is abolished when cerebellar slices are used from progesterone receptors (PR) knockout mice.The influence of testosterone and its metabolites on myelin repair was also evident in toxininduced demyelination in vivo. Long-term cuprizone intoxication (12-14 weeks) of adult C57Bl/6 mice caused chronic and severe demyelination in the corpus callosum. Treatment of these mice with testosterone or its metabolites, particularly 5α-dihydrotestosterone (5α-DHT), estradiol-17β and potent testosterone analog 7α-methyl-19-nortestosterone (MENT) for 6 weeks results in a marked replenishment of the corpus callosum with oligodendrocytes and remyelination. Testosterone fails to stimulate remyelination in mice carrying testicular feminization mutation (Tfm) of AR in the cuprizone model. Furthermore, we demonstrate that testosterone directly targets neuronal and macroglial AR, because the specific ablation of neural AR in (ARNes/Cre) mice prevents the myelin repair in response to testosterone. Interestingly, blocking the conversion of testosterone into estrogens by knocking out the aromatase gene (ArKO mice), also impair the remyelinating effect of testosterone.In conclusion, we provide a strong evidence for a new role of progestagens and androgens in remyelination and thus present a sound experimental support for future clinical trials based on steroid hormone therapy for demyelinating disorders.

<p>Nerve injury induces up-regulation of the chaperone protein clusterin in affected neurons and adjacent astrocytes but the functional significance of this response is unclear. We find that motor neuron survival is significantly greater in clusterin(+/+) compared to (-/-) mice. These results suggest that endogenous expression of clusterin is neuroprotective after nerve injury. However, motor neuron survival in clusterin overexpressing mice was not different from that in wildtype mice. In contrast, treatment of neuronal cultures with clusterin-TAT recombinant protein is neuroprotective, including a positive effect on neuronal network complexity.</p><p>Since extracellular clusterin complexes are endocytosed after binding to various receptors, we examined the expression of known clusterin binding receptors in the spinal cord. We find that megalin is expressed in the nuclei of two cell populations in the mouse spinal cord: i) oligodendrocytes in late postnatal and adult spinal cord white matter, and ii) transiently (E11-15) in a population of immature astrocytes in the dorsal spinal cord. We find no correlation between clusterin and megalin in the intact or injured spinal cord. However, intranuclear localization of megalin, suggesting signalling properties, is supported by the co-localization with γ-secretase, the enzyme responsible for endodomain cleavage of megalin. Megalin deficient mice display a pronounced deformation of the dorsal part of spinal cord, an almost complete absence of oligodendroglial progenitor cells, and a marked reduction in the population of mature astrocytes at later prenatal developmental stages.</p><p>Taken together, our findings indicate that megalin is a novel signalling molecule for distinct populations of glial cells in the pre- and postnatal spinal cord. The functional role(s) of megalin is unknown. However, its expression patterns and cellular localization suggest that megalin regulates differentiation of oligodendrocytes and astrocytes in the prenatal spinal cord, as well as the function of myelinating oligodendrocytes in the postnatal spinal cord.</p>

Nerve injury induces up-regulation of the chaperone protein clusterin in affected neurons and adjacent astrocytes but the functional significance of this response is unclear. We find that motor neuron survival is significantly greater in clusterin(+/+) compared to (-/-) mice. These results suggest that endogenous expression of clusterin is neuroprotective after nerve injury. However, motor neuron survival in clusterin overexpressing mice was not different from that in wildtype mice. In contrast, treatment of neuronal cultures with clusterin-TAT recombinant protein is neuroprotective, including a positive effect on neuronal network complexity. Since extracellular clusterin complexes are endocytosed after binding to various receptors, we examined the expression of known clusterin binding receptors in the spinal cord. We find that megalin is expressed in the nuclei of two cell populations in the mouse spinal cord: i) oligodendrocytes in late postnatal and adult spinal cord white matter, and ii) transiently (E11-15) in a population of immature astrocytes in the dorsal spinal cord. We find no correlation between clusterin and megalin in the intact or injured spinal cord. However, intranuclear localization of megalin, suggesting signalling properties, is supported by the co-localization with γ-secretase, the enzyme responsible for endodomain cleavage of megalin. Megalin deficient mice display a pronounced deformation of the dorsal part of spinal cord, an almost complete absence of oligodendroglial progenitor cells, and a marked reduction in the population of mature astrocytes at later prenatal developmental stages. Taken together, our findings indicate that megalin is a novel signalling molecule for distinct populations of glial cells in the pre- and postnatal spinal cord. The functional role(s) of megalin is unknown. However, its expression patterns and cellular localization suggest that megalin regulates differentiation of oligodendrocytes and astrocytes in the prenatal spinal cord, as well as the function of myelinating oligodendrocytes in the postnatal spinal cord.

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Regrowth in the lesioned central nervous system is impeded by inhibitory molecules including myelin-associated inhibitors (MAIs) and chondroitin sulfate proteoglycans (CSPGs). Inhibitory molecules engage neuronal cell surface receptors and activate the small GTPase RhoA in injured neurons to mediate neurite outgrowth inhibition through targeted modifications to the cytoskeleton. Inhibition of RhoA with the ribosyltransferase C3 attenuates neurite outgrowth inhibition in vitro and in vivo but the ubiquitous expression and multifunctionality of RhoA may limit the specificity of therapeutic RhoA antagonists. The hypothesis of the thesis is that molecules that functionally interact with RhoA to mediate myelin-dependent inhibition may represent more specific targets for therapeutic intervention. We have explored the contribution of two RhoA interacting proteins to the neurite outgrowth inhibitory effects of MAIs. In Chapter 2 we describe the contribution of the rho effector, Rho kinase (ROCK) to MAI responses in neurons. In Chapter 3 we identify the cytosolic phosphoprotein CRMP4b (Collapsin Response Mediator Protein 4b) as a novel RhoA binding partner that mediates neuronal responses to CNS inhibitors. By structure function analysis we have developed a molecular antagonist of CRMP4b-RhoA binding that promotes neurite outgrowth on inhibitory substrates in vitro and has the potential to be a potent and specific molecular therapeutic for spinal cord injury. In Chapter 4 we identify glycogen sythase kinase 3b (GSK3b) as an important kinase in the MAI pathway that regulates protein interactions with RhoA. This thesis provides insights into the signal transduction machinery that is engaged in response to CNS inhibitors and suggests several novel therapeutic targets to promote axon regeneration following CNS injury.