Authors:	Schillner, Miriam
Advisor:	Bittner, Stefan
Title:	Acute focal micro injury induces microglial driven activation and proliferation in CNS astrocytes
Online publication date:	22-Jun-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Multiple Sclerosis (MS) is a severe autoimmune disease, characterized by demyelination and neurodegeneration of the central nervous system (CNS). The cause of the disease is still debated with theories claiming that it is either initiated by autoreactive T cells invading the CNS (outside-in hypothesis) or by events within the CNS followed by infiltration (inside-out hypothesis). While the exact mechanisms of the disease development are unclear, disease progression has been demonstrated to be driven by the crosstalk of the adaptive and innate immune system. The present thesis is focused on the crosstalk between astrocytes and microglia in CNS damage and a modulation of their interaction by encephalitogenic T cells. A focal laser injury model was established producing a consistent and reproducible non-inflammatory injury in intact organotypic hippocampal slice cultures (OHSCs). A distinct temporal response pattern was observed for both microglia and astrocytes, with microglia being the first responders towards the damage and subsequently driving the ensuing astrocyte reaction. The astrocytic response consisted either in parts of the formation of a glial scar entirely through spatial rearrangements in the absence of microglia or aided by cellular proliferation driven by microglia signalling. Infiltration of pro-inflammatory Th17 cells increased astrogliosis and astrocytic proliferation, underlining the role of immune cell invasion in modulating glial activation. In a next step, the chemogenetic Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADD) model – as a non-invasive way to chronically activate cells in their intact cellular environment – was successfully established in microglia in OHSCs. Stable expression of the modified receptor hM3Dq under the CSF1R promotor could be shown in Iba1+ microglia. DREADD-mediated activation led to a significant increase in microglia displaying a rod-like morphology potentially signifying a primed microglia phenotype. Overall, the present thesis underlines a prominent role of microglia in driving astrocytic activation and proliferation under both inflammatory and non-inflammatory conditions. Furthermore, it demonstrates the occurrence of an elusive microglia phenotype after chemogenetic manipulation. Multiple Sklerose (MS) ist eine schwerwiegende Autoimmunerkrankung, die durch Demyelinisierung und Degeneration von Nervenzellen des zentralen Nervensystems (ZNS) gekennzeichnet ist. Die Ursache der Erkrankung wird bis heute debattiert und es wird vermutet, dass es zwei mögliche Auslöser gibt. Der Erste sind autoreaktive T Zellen, die in das ZNS Parenchym einwandern („outside-in“ Hypothese). Der Zweite, dass Vorgänge im ZNS selbst dafür verantwortlich sind und die T Zell Infiltration nachgeschaltet passiert („inside-out“ Hypothese). Während die Entstehung der Erkrankung bis heute unklar ist, konnte gezeigt werden, dass das Zusammenspiel des angeborenen und adaptiven Immunsystems für das Fortschreiten der Krankheit maßgeblich verantwortlich ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Interaktion zwischen Astrozyten und Mikroglia und deren Modulation durch ZNS-reaktive T Zellen im Kontext von ZNS Schädigung. Hierfür wurde in organotypischen hippokampalen Schnittkulturen (OHSCs) ein fokales Laser-Schaden-Modell entwickelt, welches eine konsistente und reproduzierbare nicht-inflammatorische Schädigung des Gewebes hervorruft. Astrozyten und Mikroglia zeigten ein klares zeitliches Reaktionsmuster in Bezug auf die Gewebsverletzung. Mikroglia reagierten als erstes auf den Schaden und steuerten die anschließende astrozytäre Antwort. Neben anderen Mechanismen ist das Bilden einer Glia Narbe ein wichtiger Teil der astrozytären Reaktion auf Schädigungen des ZNS Gewebes. Dies geschah hier in Abwesenheit von Mikroglia vollständig durch eine Neuanordnung der Astrozyten in räumlicher Nähe zur Verletzung und in Anwesenheit der Mikroglia zusätzlich durch Zellteilung der involvierten Astrozyten. Die Infiltration peripherer pro-inflammatorischer T Zellen trug zur starken Erhöhung des Anteils sich teilender Astrozyten bei. Somit konnte gezeigt werden, dass das Eindringen von Immunzellen einen großen Einfluss auf die Modulation der Aktivierung von Gliazellen hat. Im nächsten Schritt wurde das chemogenetische DREADD Modell erfolgreich in Mikroglia in OHSCs etabliert. Diese Technik erlaubt es, Zellen auf eine nicht-invasive Art in ihrem intakten Zellverbund chronisch zu aktivieren. Der modifizierte hM3Dq Rezeptor zeigte unter der Kontrolle des CSF1R Promotors eine stabile Expression in Iba1+ Mikroglia. Die Aktivierung der Mikroglia über das DREADD Konstrukt führte zu einem signifikanten Anstieg einer stäbchenförmigen Morphologie, welche möglicherweise eine Form prä-aktivierter (primed) Mikroglia darstellen. Insgesamt unterstreicht die hier vorliegende Arbeit eine wichtige Rolle von Mikroglia in der Steuerung der Aktivierung und Proliferation von Astrozyten unter inflammatorischen und nicht-inflammatorischen Bedingungen. Weiterhin konnte eine bislang wenig erforschte Mikroglia Morphologie im Zusammenhang mit chemogenetischer Manipulation nachgewiesen werden.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-7329
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-0cda5fba-7b50-4707-bcc4-0e7f9dd7ab4f8
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	88 Seiten; Illustrationen, Diagramme
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