Universität zu Köln

Khan, Amir Saeed (2021). Indole-3-carbinol modulates microglia homeostasis and prevents retinal degeneration. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die altersbedingte Makuladegeneration (AMD) ist eine degenerative Netzhauterkrankung und einer der häufigsten Ursachen für Blindheit bei älteren Menschen. Die Aktivierung von Mikrogliazellen ist ein Kennzeichen für neurodegenerative Erkrankungen einschließlich AMD. Immonomudulation durch Einwirkung auf Mikrogliazellen erwiesen sich als vielversprechende therapeutische Option. AhR spielen innerhalb physiologischer und pathologischer Mechanismen des Auges eine bedeutsame Rolle und werden zudem von verschiedenen Immunzellen einschließlich Mikrogliazellen exprimiert. Es wurde nachgewiesen, dass Retina-spezifische AhR-Knockout-Mäuse unter Netzhautdegeneration und den trockenen AMD-ähnlichen Phänotyp leiden. Indole-3-carbinol (I3C) ist ein natürlicher Ligand des AhR mit starken immunmodulatorischen Eigenschaften. Hier stellten wir die Hypothese auf, dass I3C die Mikroglia-Reaktivität hemmt und neuroprotektive Effekte im Mausmodel der lichtinduzierten Netzhautdegeneration ausübt. Die In-vitro-Daten zeigten, dass I3C die LPS-induzierte proinflammatorische Genexpression von i-NOS, IL-1ß, NLRP3, IL-6, und CCL2 signifikant reduziert und gleichermaßen die Genexpression von antioxidativen NQO1, HMOX1 und CAT1 in BV-2-Mikroglia-Zellkulturen induziert. I3C reduzierte auch die LPS-induzierten Proteinlevel von i-NOS, IL-1ß, COX2, und P-ERK1/2 und induzierte das HMOX1-Protein in BV-2-Zellen. Darüber hinaus reduzierte I3C auch die LPS-induzierte Stickoxid-Sekretion, Phagozytose und Mikrogliazellen-Zellmigration und induzierte den schützenden Microglia-zellphänotypen, welche wichtige funktionelle Parameter darstellen. siRNA-vermittelter Knockdown von AhR verhinderte teilweise die zuvor beobachteten genregulatorischen Effekte welche BV-2-Mikroglia-Zellkulturen observiert wurden. I3C reduzierte die PMA plus Zymosan-induzierte proinflammatorische Genexpression von IL-1ß, NLRP3 und IL-6 und erhöhte die Genexpression von NQO1, HMOX1 und CAT1 in humanen SV-40-Mikrogliazellen. Darüber hinaus reduzierte I3C die durch Mikroglia-vermittelten neurotoxischen Wirkungen auf ARPE-19-Zellen. I3C reduzierte ebenfalls die LPS-induzierte proinflammatorische Genexpression in primären Mikroglia-Zellen und Netzhautexplantaten. In-vivo-Experimente zeigten, dass die I3C-Behandlung die, durch Lichtschäden in Mäuseretina induzierten, i-NOS, IL-1ß, NLRP3, IL-6, und CCL2 Genlevel signifikant verringerte und die Proteinlevel von CCL2, i-NOS, IL-1ß, und p-NFkBp65 in verringerte. Darüber hinaus erhöhte I3C die Proteinlevel von antioxidativen NQO1 und HMOX1 in lichtexponierten Netzhäuten. Schlussendlich verhinderte die I3C-Therapie die Ansammlung von amöboidalen Mikroglia im subretinalen Raum und schützte die Retina vor Netzhautdegeneration. Zusammengenommen reduziert der AhR-Ligand I3C äußerst wirksam die Mikrogliose und lichtinduzierte Netzhautschäden und zeigt ein mögliches Behandlungskonzept für die Netzhautdegeneration bei AMD auf.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language UNSPECIFIED English
Translated abstract:	Abstract Language Age-related macular degeneration (AMD) is a retinal degenerative disease and the most common cause of blindness in the elderly. Microglia activation is a hallmark of neurodegenerative diseases including AMD. Pharmacological approaches of microglia-related immunomodulation emerge as a therapeutic option. Aryl hydrocarbon receptor (AhR) plays a significant role in the physiological and pathological mechanisms involved in ocular compartment and AhR is expressed by various immune cells including microglia. Retina-specific AhR knockout mice have been shown to enhance retinal degeneration and dry AMD-like phenotype. Indole-3-carbinol (I3C) is a natural ligand of AhR with potent immunomodulatory properties. Here, we hypothesized that I3C may inhibit microglia reactivity and exert neuroprotective effects in the light damaged murine retina mimicking important immunological aspects of AMD. The in vitro data showed that I3C significantly reduced LPS-induced pro-inflammatory gene expression of i-NOS, IL-1ß, NLRP3, IL-6, and CCL2 and induced anti-oxidants gene levels of NQO1, HMOX1, and CAT1 in BV-2 cells. I3C also reduced LPS-induced i-NOS, IL-1ß, COX2, and P-ERK1/2 protein levels and induced HMOX1 protein in BV-2 cells. Furthermore, I3C also reduced LPS-induced NO secretion, phagocytosis, migration, and enhanced protective phenotype as important functional microglia parameters. siRNA-mediated knockdown of AhR partially prevented the previously observed gene regulatory effects in BV-2 microglia cells. I3C reduced PMA plus Zymosan-induced pro-inflammatory gene expression of IL-1ß, NLRP3, and IL-6 and enhanced NQO1, HMOX1, and CAT1 gene levels in SV-40 cells. Furthermore, I3C reduced microglia-mediated neurotoxic effects in ARPE-19 cells. I3C also reduced LPS-induced pro-inflammatory genes in primary microglia cells and retinal explants. The in vivo experiments showed that I3C treatment significantly diminished light-damage induced i-NOS, IL-1ß, NLRP3, IL-6, and CCL2 gene levels and reduced CCL2, i-NOS, IL-1ß, p-NFkBp65 protein levels in mice. Moreover, I3C increased anti-oxidant NQO1 and HMOX1 protein levels in light exposed retinas. Finally, I3C therapy prevented the accumulation of amoeboid microglia in the sub-retinal space and protected from retinal degeneration. Taken together, the AhR ligand I3C potently reduces microgliosis and light-induced retinal damage, highlighting a potential treatment concept for retinal degeneration in AMD. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Khan, Amir Saeed khanamir26@yahoo.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-353663
Date:	2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language AhR Aryl hydrocarbon receptor AhRR Aryl hydrocarbon receptor repressor AMD Age-related macular degeneration ANOVA Analysis of variance ARNT Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator BDNF Brain derived neurotrophic factor BRB Blood retinal barrier BM Bruch's membrane CAT1 Catalase1 CCL2 Chemokine (C-C motif) ligand 2 cDNA Complementary DNA CNS Central nervous system CNV Choroidal neovascularization COX2 Cyclooxygenase2 CSF1R Colony stimulating factor-1 receptor CX3CR1 C-X3-C motif chemokine receptor 1 DIM 3,3′-Diindolylmethane DMEM Dulbecco’s modified eagle’s medium DNA Deoxyribonucleic acid DER Dioxin response elements EAE Experimental autoimmune encephalomyelitis ERK1 Extracellular signal regulated protein kinase GA Geographic atrophy GCL Ganglion cell layer GDNF Glial cell-line derived neurotrophic factor HMOX1 Heme oxygenase 1 IBA 1 Ionized calcium-binding adapter molecule 1 IL-1β Interleukin-1β IL-6 Interleukin-6 INL Inner nuclear layer IPL Inner plexiform layer IRF8 Interferon regulatory factor 8 IS Inner segment I3C Indole-3-carbinol i-NOS Inducible nitric oxide synthase kDa Kilo Dalton LPS Lipopolysaccharide MAPK mitogen-activated protein kinase NF-κB Nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of B cells NQO1 NAD(P)H dehydrogenase [quinone] 1 NLRP3 NLR family pyrin domain containing 3 NO Nitric oxide ONL Outer nuclear layer OPL Outer plexiform layer OS Outer segment PMA Phorbol 12-myristate 13-acetate qRT-PCR Quantitative real time polymerase chain reaction RGC Retinal ganglion cells RPE Retinal pigment epithelium RNA Ribonucleic acid SD-OCT Spectral domain-optical coherence tomography SEM Standard error of the mean SOCS Suppressor of cytokine signaling TBE Tris/Borate/EDTA TBS Tris buffers saline TLR Toll-like receptor TRITC Tetramethylrhodamine RPMI Roswell Park Memorial Institute siRNA Small interfering RNA TED Thyroid eye disease XRE Xenobiotic response elements English
Date of oral exam:	22 January 2021
Referee:	Name Academic Title Khan, Amir Prof. Dr. Rugarli, Elena Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/35366