Μελέτη του ρόλου του ανοσοποιητικού συστήματος στην παθογένεση της νόσου Alzheimer σε διαγονιδιακά ποντίκια-μοντέλα της νόσου

Abstract

Increasing evidence has suggested that brain inflammation can play a significant role in Alzheimer’s disease (AD) pathogenesis. Identifying key molecules that regulate the crosstalk between the immune and the central nervous system can provide potential therapeutic targets. TNF-α is a pleiotropic cytokine that exerts its functions through engagement of two receptors, TNFRI and TNFRII. In the brain, TNF-α is mainly expressed by microglia and astrocytes. Previous in vivo and in vitro studies concerning the role of TNF-α in Alzheimer’s disease have provided ambiguous results, implying that TNF-α can have both beneficial and detrimental effects in AD. In the present study we support the involvement of TNF-α in beta-amyloid (Αβ) production as well as in Αβ clearance in the 5XFAD transgenic mouse model of AD. Genetic deletion of TNF-α decreases amyloid plaque formation in 5XFAD mice by lowering Aβ generation through the reduction of β-secretase (BACE1), the crucial enzyme in the amyloidogenic APP (amyloid precursor protein) processing pathway leading to Αβ accumulation. Moreover, elimination of TNF-α expression results in decreased astrocytic and microglial activation and reduced Αβ uptake by phagocytes, further implying that decreased amyloid deposition in the 5XFAD/TNF-α-/- mouse brain is attributed to decreased Αβ production rather than enhanced cell-mediated Αβ clearance. Our data confirm the role of TNF-α signaling in the regulation of APP processing and Αβ production and support TNF-α targeting as a potential therapeutical approach for Alzheimer’s disease. The central role of TNF-α in chronic inflammatory diseases like rheumatoid arthritis (RA) has led to the development of anti-TNF-α therapeutics that have been proved very effective in RA therapy. Taking into consideration recent studies reporting that anti-TNF-α therapy or RA itself can modulate AD pathology, although the underlying mechanism is unclear, we generated and analyzed double transgenic 5XFAD/Tg197 AD/TNF mice that develop amyloid deposits and inflammatory arthritis induced by huTNF-α expression. 5XFAD/Tg197 mice express huTNF-α both in the periphery and the brain and show significantly decreased amyloid deposition, robust brain inflammation characterized by diffused gliosis and increased perivascular macrophages and infiltrating leukocytes, as well as compromised neuronal integrity. To evaluate whether the observed brain phenotype is attributed to peripheral or brain huTNF-α, we treated 5XFAD/Tg197 mice systemically with infliximab anti-huTNF-α antibody that does not cross the blood-brain-barrier and inhibits arthritis. Peripheral infliximab treatment significantly lowers huTNF-α in the circulation but not in the brain and reverses the amyloid and brain inflammatory phenotype, leading to increased amyloid deposition, decreased glial activation, reduced blood-derived immune cells and restored neuronal integrity. Given that 5XFAD/Tg197 AD/TNF mice show a further enhancement of blood-derived immune populations in the brain compared to Tg197, we propose enhanced Αβ clearance by these cell types in addition to activated microglia as the underlying mechanism that mediates the reduction of amyloid pathology in 5XFAD/Tg197 mice. Our findings demonstrate for the first time that peripheral TNF-α can strongly modulate the amyloid phenotype by regulating blood-derived and local brain inflammatory cell populations, thus underlining the significance of a TNF-dependent periphery-to-brain immune communication pathway in Alzheimer’s disease. Overall, the present study indicates TNF-α as a mediator that can affect multiple aspects of Alzheimer’s disease, which should be taken into consideration in the possible future treatment of AD patients with anti-TNF-α agents.

Ολοένα και περισσότερα δεδομένα υποστηρίζουν ότι η φλεγμονώδης απόκριση διαδραματίζει έναν θεμελιώδη ρόλο στην παθογένεση της νόσου του Alzheimer (AD). Η ταυτοποίηση μορίων-κλειδιών που ελέγχουν την αλληλεπίδραση μεταξύ του ανοσοποιητικού και του κεντρικού νευρικού συστήματος και μπορεί να αποτελέσουν εν δυνάμει θεραπευτικούς στόχους είναι πολύ σημαντική. Ο TNF-α είναι μια πλειοτροπική προ-φλεγμονώδης κυτταροκίνη η οποία ασκεί τις δράσεις της μέσω πρόσδεσης στους υποδοχείς της, TNFRI και TNFRII, και στον εγκέφαλο εκφράζεται κυρίως από τη μικρογλοία και τα αστροκύτταρα. Τόσο οι in vitro όσο και οι in vivo προηγούμενες μελέτες του ρόλου του TNF-α στη νόσο του Alzheimer έχουν παράγει διφορούμενα αποτελέσματα, προτείνοντας ότι ο TNF-α μπορεί να έχει άλλοτε ευεργετικές κι άλλοτε καταστρεπτικές επιδράσεις στην ασθένεια. Στην παρούσα διατριβή υποστηρίζεται ότι ο TNF-α μπορεί να επηρεάσει τόσο την παραγωγή όσο και την εκκαθάριση του β-αμυλοειδούς (Αβ) στο 5XFAD διαγονιδιακό στέλεχος ποντικών-μοντέλων της νόσου. Η γενετική απαλοιφή του TNF-α στα 5XFAD ποντίκια μειώνει το σχηματισμό αμυλοειδών πλακών αναστέλλοντας την παραγωγή Αβ μέσω της ελάττωσης των επιπέδων της β-εκκριτάσης (BACE1), του κρίσιμου ενζύμου για την επεξεργασία της πρόδρομης πρωτεΐνης του αμυλοειδούς (ΑΡΡ) που οδηγεί στη συσσώρευση Αβ. Επιπλέον, η απουσία έκφρασης του TNF-α έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της μικρογλοιακής και αστροκυτταρικής απόκρισης καθώς και την ελάττωση της εκκαθάρισης του Αβ από φαγοκύτταρα, γεγονός που υποστηρίζει περαιτέρω ότι η μειωμένη εναπόθεση αμυλοειδούς στον εγκέφαλο των 5XFAD/TNF-α-/- ποντικών είναι κατά βάση αποτέλεσμα της ελαττωμένης παραγωγής Αβ παρά της ενισχυμένης κυτταρο-μεσολαβούμενης εκκαθάρισής του. Τα δεδομένα αυτά επιβεβαιώνουν το ρόλο της TNF-α σηματοδότησης στη ρύθμιση του μεταβολισμού της ΑΡΡ και της παραγωγής Αβ και προτείνουν τη στόχευση του TNF-α ως μια εν δυνάμει θεραπευτική προσέγγιση έναντι της νόσου του Alzheimer. Ο TNF-α κατέχει κεντρικό ρόλο και σε χρόνιες φλεγμονώδεις νόσους, όπως η ρευματοειδής αρθρίτιδα (RA), για τις οποίες οι αντι-TNF-α βιολογικές θεραπείες έχουν εδώ και πολλά χρόνια αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικές. Δεδομένων των ενδείξεων ότι η αντι-TNF-α θεραπείες ή η ίδια η RA ως συστημική φλεγμονώδης νόσος επηρεάζουν την παθολογία Alzheimer, χωρίς ωστόσο να έχει διαλευκανθεί ο υποκείμενος μηχανισμός, μελετήθηκαν στην τρέχουσα διατριβή διπλά διαγονιδιακά 5XFAD/Tg197 AD/TNF ποντίκια, τα οποία εμφανίζουν αμυλοειδείς εναποθέσεις σε συνδυασμό με την επαγόμενη από την έκφραση του ανθρώπινου TNF-α (huTNF-α) ανάπτυξη αρθριτικού φαινοτύπου. Τα 5XFAD/Tg197 ποντίκια, στα οποία ο huTNF-α εκφράζεται και στην περιφέρεια και στον εγκέφαλο, εμφανίζουν δραματικά μειωμένη εναπόθεση αμυλοειδούς, έντονη φλεγμονή του εγκεφάλου που χαρακτηρίζεται από διάχυτη γλοίωση και αυξημένο αριθμό περιαγγειακών μακροφάγων και διηθητικών λευκοκυττάρων, καθώς και σημαντική διαταραχή της νευρωνικής ακεραιότητας. Προκειμένου να αξιολογηθεί κατά πόσον ο παρατηρούμενος φαινότυπος οφείλεται στον huTNF-α της περιφέρειας ή του εγκεφάλου, χορηγήθηκε συστημικά στα 5XFAD/Tg197 ποντίκια το αντι-huTNF-α αντίσωμα infliximab, το οποίο δεν διαπερνά τον ΑΕΦ και έχει δειχθεί ότι παρεμποδίζει την εκδήλωση της αρθρίτιδας. Η περιφερική χορήγηση infliximab μειώνει σημαντικά τα επίπεδα του huTNF-α στην κυκλοφορία αλλά όχι στον εγκέφαλο και αντιστρέφει τον αμυλοειδή και φλεγμονώδη φαινότυπο, οδηγώντας σε αυξημένη εναπόθεση Αβ, μειωμένη ενεργοποίηση της γλοίας, ελάττωση των προερχόμενων από την περιφέρεια ανοσολογικών κυττάρων και αποκατάσταση της νευρωνικής βλάβης. Δεδομένης της ενισχυμένης παρουσίας των περιφερικής προέλευσης ανοσολογικών πληθυσμών στον εγκέφαλο των 5XFAD/Tg197 AD/TNF ποντικών συγκριτικά με τα απλά Tg197 ποντίκια, προτείνεται ότι η μείωση της αμυλοειδικής παθολογίας στα 5XFAD/Tg197 ποντίκια οφείλεται στη διευκόλυνση της εκκαθάρισης Αβ μέσω της στρατολόγησης αυτών των κυτταρικών τύπων, αλλά και της ενεργοποίησης της μικρογλοίας. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν για πρώτη φόρα ότι ο περιφερικός TNF-α μπορεί να τροποποιήσει δραστικά τον αμυλοειδή φαινότυπο μέσω της ρύθμισης των κυτταρικών μεσολαβητών φλεγμονής της περιφέρειας και του εγκεφάλου, καταδεικνύοντας έτσι τη σημασία του TNF-εξαρτώμενου μονοπατιού επικοινωνίας περιφέρειας-εγκεφάλου στη νόσο του Alzheimer. Συνολικά, τα ευρήματα της παρούσας μελέτης καταδεικνύουν τον TNF-α ως ένα μόριο που μπορεί να επηρεάσει πολλαπλές πτυχές της νόσου του Alzheimer, γεγονός που θα πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την πιθανή μελλοντική θεραπεία AD ασθενών με αντι-TNF-α παράγοντες.