TNF signaling properties in acute and chronic inflammatory conditions

Iskæmisk slagtilfælde, der er en af de hyppigste dødsårsager i verden, opstår ved at en blodåre i hjernen blokeres, hvilket fører til celledød og neuroinflammation i det påvirkede område. Nuværende behandlingsmuligheder fokuserer på at genetablere blodtilførslen til det påvirkede område, at forebygge gentagne slagtilfælde, samt genoptræning. Inde i det iskæmiske område fører den hurtige død af neuroner og oligodendrocytter til aktivering af astrocytter og mikroglia, og infiltrering af perifere immunceller, hvor de alle deltager aktivt i det neuroinflammatoriske respons. Dette kan medføre både beskyttende effekter i form af reparation og promovering af celleoverlevelse, men også ødelæggende effekter der fører til yderligere skade på vævet. Derudover kan inflammationen vare ved kronisk, og derved medføre sekundær degeneration af vævet samt langtidsvarende kognitive forstyrrelser. Cytokinet tumor nekrose faktor (TNF) spiller en væsentlig rolle i det neuroinflammatoriske respons, og findes både i en opløselig form (solTNF) samt en transmembran form (tmTNF). solTNF/tmTNF signalering gennem TNF receptor 1 (TNFR1) promoverer celleoverlevelse, øget produktion af inflammatoriske faktorer, og kan derudover føre til celledød via
apoptose og necroptose. TNFR2 bliver kun fuldt aktiveret af tmTNF, og signaleringen promoverer celleoverlevelse og inflammatorisk signalering. Derfor undersøges selektive terapiformer der promoverer den beskyttende tmTNF-TNFR2 signalering mens den skadelige solTNF-TNFR1 signalering hæmmes, som behandlingsmuligheder for neuroinflammatoriske sygdomme.

En beskyttende effekt ved blokering af solTNF er blevet vist i flere forskellige sygdomsmodeller for både akut og kronisk neurologisk sygdom, og selv om det har vist sig gavnligt i den akutte og subakutte fase af eksperimentelt slagtilfælde, er de længerevarende effekter ikke blevet undersøgt. Formålet med første studie i denne afhandling var derfor at undersøge hvordan blokering af solTNF med systemiske injektioner af XPro1595, påvirkede det mere kroniske udfald af eksperimentelt slagtilfælde i mus, ved brug af permanent middle cerebral artery occlusion (pMCAO) modellen. De mus der havde fået XPro1595 behandling havde et nedsat antal perifere immunceller, samt et nedsat antal astrocytter og oligodendrocytter i deres ipsilaterale cortex, sammenlignet med mus injiceret med saltvand. Derudover ændrede XPro1595 behandlingen mikroglia-cellernes morfologi antydende øget aktivering, samt forbedrede myelin integriteten, hvilket medførte forbedringer i musenes motoriske funktioner. Dette indikerer en længerevarende beskyttende effekt ved at hæmme solTNF i iskæmisk slagtilfælde.

Promovering af den gavnlige TNFR2 signalering med agonist behandling er beskyttende i modeller for kronisk neurologisk sygdom, såsom Alzheimers og multipel sklerose. Ingen studier har undersøgt effekten af behandling med en TNFR2 agonist i slagtilfælde. I det andet studie i denne afhandling ville vi derfor undersøge effekten af systemiske injektioner med TNFR2 agonisten NewSTAR2, på udfaldet af eksperimentelt slagtilfælde i mus. NewSTAR2 behandlingen medførte ændringer i antallet af perifere immunceller og en forbigående forbedring i neuromuskulær funktion, sammenlignet med mus behandlet med isotype kontrollen. Derudover havde musene en forbigående stigning i TNF protein samt forbigående ændringer i antallet af mikroglia. Behandlingen var dog ikke i stand til at medføre længerevarende gavnlige effekter, hvilket indikerer at aktivering af TNFR2 er utilstrækkeligt i at modvirke det stærke neuroinflammatoriske respons i eksperimentelt slagtilfælde.

Kronisk neurologisk sygdom, såsom multipel sklerose, er også karakteriseret ved et kraftigt neuroinflammatorisk respons, og selv om sygdommen bliver drevet af aktiverede T-celler, fører inflammationen til aktivering af mikroglia og infiltration af perifere myeloide celler, ligesom i iskæmisk slagtilfælde. Karakteristisk for mikroglia og infiltrerende myeloide celler i inflammation er deres lighed i funktion, samt en dobbeltsidet rolle, hvor de både fagocyterer myelin og cellerester, hvilket promoverer remyelinisering, men også udskiller inflammatoriske faktorer og promoverer inflammation og celledød. Det tredje studie havde derfor til formål at undersøge forskelle i hvordan myeloide celler fra akut og kronisk inflammation påvirkede naive mikroglia, ved brug af et in vitro assay. Myeloide celler blev isoleret fra den akutte og kroniske fase af pMCAO modellen for iskæmisk slagtilfælde, og eksperimentel autoimmun encephalomyelitis (EAE) modellen for multipel sklerose, hvorefter de blev puttet i kultur direkte ovenpå mikroglia cellerne, eller i cellekultur inserts, hvilket kun tillader indirekte kontakt. Vi fandt, at myeloide celler fra pMCAO og EAE regulerer genekspressionen og morfologien af mikroglia forskelligt. Myeloide celler fra akut EAE medførte de største ændringer i mikroglia morfologi og genekspression, mens det var de myeloide celler fra kronisk pMCAO der medførte de største ændringer i mikroglia genekspression, uden ændringer i
morfologien. Derudover afhang de fleste ændringer af direkte kontakt mellem cellerne. Dette understreger vigtige forskelle mellem akut og kronisk neurologisk sygdom, samt mellem de forskellige faser af sygdommen, hvilket muligvis kan forklare nogen af forskellene i funktionen af mikroglia og infiltrerende myeloide celler.

Samlet set illustrerer denne afhandling et potentiale for at modulere TNF signalering i det langvarige udfald af iskæmisk slagtilfælde. Blokering af solTNF er beskyttende i kronisk eksperimentelt iskæmisk slagtilfælde, men aktivering af TNFR2 er utilstrækkeligt. Derudover understreger afhandlingen vigtige forskelle mellem akut og kronisk neuroinflammation, hvilket illustrerer vigtigheden i at overveje sygdomstypen samt timingen, når nye behandlinger skal udvikles.