Investigating the role of microglia in cortical synaptic pathology in multiple sclerosis and animal models of cortical demyelination

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is an inflammatory demyelinating neurodegenerative disease of the human central nervous system (CNS). MS research has traditionally focused on the white matter, but the importance of grey matter pathology is increasingly acknowledged, as neuronal loss and cortical atrophy correlate with disability progression, while MS therapeutics fail to significantly impact grey matter neurodegeneration. Evidence from other neurodegenerative diseases suggests that the structural and functional compromise of synapses may occur prior to irreversible neuronal demise, and previous work from our lab reveals a selective vulnerability of inhibitory synapses in MS grey matter. Microglia, the resident myeloid cells in the CNS parenchyma, are candidate effectors of MS-associated synaptic loss, as they are reported to eliminate synaptic connections during development and contribute to degeneration-associated synaptic compromise. The present PhD thesis asks how microglia contribute to synaptic pathology in the MS grey matter using post-mortem human tissue and two mouse models of grey matter demyelination and remyelination. The motor cortex is investigated, as previous results from our lab show the specific functional compromise and structural demise of motor cortical inhibitory synapses and inhibitory neurons. I demonstrate that the cuprizone model of global toxic demyelination recapitulates this pattern of pathology, as it produces a selective loss of cortical inhibitory synapses early in demyelination, appearing before signs of axonal damage and in the absence of neuronal loss. During cortical remyelination the density of inhibitory synapses returns to control levels, suggesting recovery of lost synaptic structures. Excitatory synapses remain unaffected throughout demyelination and remyelination in this model. As cortical demyelination in the cuprizone model proceeds in the absence of overt inflammation and peripheral immune infiltration, a second model of cortical demyelination is also investigated. The focal experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) model recapitulates aspects of autoimmune cortical demyelination by the intracortical administration of a proinflammatory cytokine mixture in mice with clinical signs of EAE. Findings in the focal EAE model agree with the human post-mortem and cuprizone results, and show the selective loss of cortical inhibitory synapses and inhibitory neurons during autoimmune cortical demyelination, while excitatory synapses and excitatory neurons remain unaffected. Furthermore, using the cuprizone model, I interrogate the role of microglia in the early vulnerability of inhibitory synapses during demyelination. I find evidence of microglial engulfment of inhibitory synaptic components early during cortical demyelination, but not at maximal demyelination, and that it corresponds to the extent of inhibitory synaptic loss. Findings in the cuprizone model are corroborated by evidence of elimination of inhibitory synaptic elements by microglia in post-mortem cortical samples from donors with progressive MS. In the cuprizone model, microglia also appear to engulf excitatory synaptic components even though excitatory synapses are not affected by demyelination, thus questioning the role of microglia in inhibitory synaptic pathology. To investigate whether microglia actively contribute to the observed inhibitory synapse loss or passively phagocytose already discarded synaptic materials, I deplete microglia pharmacologically during cuprizone-induced demyelination. Microglial depletion prevents the loss of cortical inhibitory synapses during demyelination, while excitatory synapses remain unperturbed. Following depletion, engulfment of inhibitory and excitatory synaptic components is diminished. Overall, the results of the present thesis suggest that the inhibitory network is selectively vulnerable during cortical demyelination, in the presence or absence of autoimmunity. Microglia are required to execute inhibitory synapse loss, while excitatory synapses may have superior compensatory mechanisms that allow them to withstand demyelinating insults and microglial engulfment. The spontaneous recovery of inhibitory synapses during remyelination suggests that early synaptic pathology may be a therapeutic target in MS to prevent subsequent neurodegeneration.

Η σκλήρυνση κατά πλάκας (ΣΚΠ) είναι μια φλεγμονώδης απομυελινωτική νευροεκφυλιστική νόσος του ανθρώπινου κεντρικού νευρικού συστήματος (ΚΝΣ). Η έρευνα στη ΣΚΠ παραδοσιακά εστίαζε στη φαιά ουσία του ΚΝΣ, αλλά η σπουδαιότητα της παθολογίας της μέλανας ουσίας αρχίζει να αναγνωρίζεται, καθώς η απώλεια νευρώνων και η ατροφία του εγκεφαλικού φλοιού συσχετίζονται με την πρόοδο της αναπηρίας, ενώ οι θεραπευτικές παρεμβάσεις για τη ΣΚΠ αδυνατούν να επιφέρουν σημαντικό αποτέλεσμα στην νευροεκφύλιση της μέλανας ουσίας. Ενδείξεις από άλλες νευροεκφυλιστικές νόσους υποδεικνύουν ότι η δομική και λειτουργική επιβάρυνση των συνάψεων μπορεί να συμβεί πριν από τη μη αναστρέψιμη καταστροφή των νευρώνων, και προηγούμενα στοιχεία από το εργαστήριό μας αποκαλύπτουν πως οι ανασταλτικές συνάψεις είναι εκλεκτικά ευάλωτες στη μέλανα ουσία στη ΣΚΠ. Τα μικρογλοιακά κύτταρα, τα μυελοειδή κύτταρα που κατοικούν στο παρέγχυμα του ΚΝΣ, είναι πιθανό να συνεισφέρουν στην απώλεια συνάψεων που σχετίζεται με τη ΣΚΠ, καθώς αναφέρεται ότι εξαλείφουν συναπτικές συνδέσεις κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και συμβάλλουν στην επιβάρυνση των συνάψεων που σχετίζεται με τη νευροεκφύλιση. Η παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνά πώς τα μικρογλοιακά κύτταρα συμβάλλουν στη συναπτική παθολογία στη μέλανα ουσία στη ΣΚΠ χρησιμοποιώντας ανθρώπινα δείγματα εγκεφαλικού φλοιού δωρισμένα μετά θάνατο και δύο πειραματικά μοντέλα απομυελίνωσης και αναμυελίνωσης της μέλανας ουσίας. Ερευνάται ο κινητικός φλοιός, καθώς προηγούμενα αποτελέσματα από το εργαστήριο μας δείχνουν συγκεκριμένα τη λειτουργική επιβάρυνση και δομική καταστροφή των ανασταλτικών συνάψεων και των ανασταλτικών νευρώνων. Αποδεικνύω ότι το μοντέλο απομυελίνωσης της κουπριζόνης, που χαρακτηρίζεται από γενικευμένη τοξική απομυελίνωση, αναπαράγει αυτό το πρότυπο παθολογίας, καθώς προκαλεί εκλεκτική απώλεια των ανασταλτικών συνάψεων του φλοιού στα πρώιμα στάδια της απομυελίνωσης, πριν εμφανιστούν σημάδια βλάβης των νευρωνικών αξόνων και χωρίς να παρατηρείται απώλεια νευρώνων. Κατά τη διάρκεια της αναμυέλινωσης στο φλοιό, η πυκνότητα των ανασταλτικών συνάψεων επιστρέφει στα επίπεδα ελέγχου, το οποίο υποδεικνύει πιθανή ανάκτηση των χαμένων συναπτικών δομών. Οι ενεργοποιητικές συνάψεις παραμένουν ανεπηρέαστες κατά τη διάρκεια της απομυελίνωσης και της αναμυελίνωσης σε αυτό το μοντέλο. Καθώς η απομυελίνωση του φλοιού στο μοντέλο κουπριζόνης προχωρά χωρίς έντονη φλεγμονή ή περιφερική εισροή κυττάρων του ανοσοποιητικού συστήματος, ερευνάται επίσης ένα δεύτερο μοντέλο απομυελίνωσης του φλοιού. Η εστιακή πειραματική αυτοάνοση εγκεφαλομυελίτιδα (EAE) αναπαράγει πτυχές της αυτοάνοσης απομυελίνωσης του φλοιού και επιτυγχάνεται με την χορήγηση εντός του φλοιού ενός μείγματος προφλεγμονωδών κυττοκινών σε ποντίκια που εκδηλώνουν κλινικά σημάδια της EAE. Τα ευρήματα στο εστιακό μοντέλο EAE συμφωνούν με τα αποτελέσματα από τα ανθρώπινα δείγματα φλοιού και το μοντέλο κουπριζόνης και δείχνουν την εκλεκτική απώλεια ανασταλτικών συνάψεων και ανασταλτικών νευρώνων κατά την αυτοάνοση απομυελίνωση του φλοιού, ενώ οι ενεργοποιητικές συνάψεις και οι ενεργοποιητικοί νευρώνες παραμένουν ανεπηρέαστοι. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας το μοντέλο της κουπριζόνης, εξετάζω τον ρόλο των μικρογλοιακών κυττάρων στην πρώιμη απώλεια των ανασταλτικών συνάψεων κατά τη διάρκεια της απομυελίνωσης. Βρίσκω ενδείξεις πως μικρογλοιακά κύτταρα περικλείουν ανασταλτικές συνάψεις στα αρχικά στάδια της απομυελίνωσης του φλοιού, αλλά όχι κατά το στάδιο της μέγιστης απομυελίνωσης, και επίσης ότι συνδέονται με την έκταση της απώλειας των ανασταλτικών συνάψεων. Τα ευρήματα στο μοντέλο της κουπριζόνης επικυρώνονται με την εύρεση ενδείξεων εξάλειψης ανασταλτικών συναπτικών δομών από μικρογλοιακά κύτταρα σε ανθρώπινα δείγματα φλοιού από δωρητές με προοδευτική ΣΚΠ. Στο μοντέλο της κουπριζόνης, τα μικρογλοιακά κύτταρα φαίνεται επίσης να περικλείουν συστατικά των ενεργοποιητικών συνάψεων, παρόλο που οι ενεργοποιητικές συνάψεις δεν επηρεάζονται από την απομυελίνωση, θέτοντας υπό αμφισβήτηση τον ρόλο των μικρογλοιακών κυττάρων στην παθολογία των ανασταλτικών συνάψεων. Για να διερευνήσω εάν τα μικρογλοιακά κύτταρα συμβάλλουν ενεργά στην παρατηρούμενη απώλεια ανασταλτικών συνάψεων ή μέσω της παθητικής φαγοκυττάρωσης ήδη απορριμμένου συναπτικού υλικού, εξαλείφω τα μικρογλοιακά κύτταρα με φαρμακολογικά μέσα κατά την απομυελίνωση στο μοντέλο κουπριζόνης. Η φαρμακολογική εξάλειψη των μικρογλοιακών κυττάρων αποτρέπει την απώλεια των ανασταλτικών συνάψεων κατά τη διάρκεια της απομυελίνωσης, ενώ οι ενεργοποιητικές συνάψεις παραμένουν ανεπηρέαστες. Μετά την εξάλειψη, τα στοιχεία πως μικρογλοιακά κύτταρα περικλείουν ανασταλτικές και ενεργοποιητικές συνάψεις ελαχιστοποιούνται. Συνολικά, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής υποδεικνύουν ότι το ανασταλτικό δίκτυο είναι επιλεκτικά ευάλωτο κατά την απομυελίνωση του φλοιού, παρουσία ή απουσία αυτοάνοσων μηχανισμών. Τα μικρογλοιακά κύτταρα είναι απαραίτητα για την απώλεια των ανασταλτικών συνάψεων, ενώ οι ενεργοποιητικές συνάψεις μπορεί να έχουν αποτελεσματικότερους αντισταθμιστικούς μηχανισμούς που τους επιτρέπουν να αντέχουν τις προσβολές της απομυελίνωσης και την εξάλειψη των μικρογλοιακών κυττάρων. Η αυτόματη ανάκτηση των ανασταλτικών συνάψεων κατά την αναμυελίνωση υποδηλώνει ότι η πρώιμη συναπτική παθολογία μπορεί να αποτελέσει θεραπευτικό στόχο στη ΣΚΠ για να αποτραπεί η μεταγενέστερη νευροεκφύλιση.