Universität zu Köln

Scholz, Rebecca (2016). Microglia as therapeutic targets in retinal degeneration: role of translocator protein (18 κDa) (TSPO) and minocycline. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Microglia are the resident immune cells of the central nervous system (CNS) and play an important role in innate immune defense as well as tissue homeostasis. Chronic microglial reactivity, microgliosis, is a general hallmark of inflammatory and degenerative diseases that affect the CNS, including the retina. There is increasing evidence that chronic microgliosis is more than just a bystander effect, but rather actively contributes to progression of degeneration through processes such as toxic nitric oxide (NO) production and even phagocytosis of stressed but viable photoreceptors. Therefore immunmodulation of microglia presents a possible therapeutic strategy for retinal degenerations. Notably, the expression of the mitochondrial translocator protein 18 (κDa) (TSPO) is highly elevated in reactive microglia as seen in several neuroinflammatory diseases such as Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease and multiple sclerosis. Therefore it is used as a gliosis biomarker in the brain. Moreover TSPO ligands show potent effects in resolving neuroinflammatory brain disorders. However, TSPO expression in the eye had not been investigated before. Further, it was unknown whether TSPO ligands’ potent immunomodulatory effects could be used to treat retinal degenerations. To fill this gap, the study aimed to analyze whether TSPO is also a potential biomarker for degenerative processes in the retina. Moreover the thesis attempted to determine whether a specific TSPO ligand, XBD173, might modulate microglial reactivity and is a potent therapeutic, to treat retinal degenerative diseases. The findings revealed that TSPO is strongly upregulated in microglial cells of retinoschisin-deficient (RS1-/y) mice, a model of inherited retinal degeneration and in a murine light damage model. A co-localization of TSPO and microglia was furthermore detectable in human retinal sections, indicating a potential role for TSPO as a biomarker for retinal degenerations. In vitro assays showed that the TSPO ligand XBD173 effectively inhibited features of microglial activation such as morphological transformation into reactive phagocytes and enhanced expression of pro-inflammatory cytokines. XBD173 also reduced microglial migration and proliferation and reduced their neurotoxic potential on photoreceptor cells. In two independent mouse models of light-induced retinal degeneration, the treatment with XBD173 reduced accumulation of amoeboid, reactive microglia in the outer retina and attenuated degenerative processes, indicated by a nearly preserved photoreceptor layer. A further question addressed in this thesis was whether minocycline, an antibiotic with additional anti-inflammatory properties is able to reduce microglial neurotoxicity and to protect the retina from degeneration. Minocycline administration dampened microglial pro-inflammatory gene expression, NO production and neurotoxicity on photoreceptors. Interestingly, in addition to its immunomodulatory effect, minocycline also increased the viability of photoreceptors in a direct manner. In the light damage model, minocycline administration counter-acted microglial activation and blocked retinal degeneration. Taken together these results identified TSPO as a biomarker for microglial reactivity and as therapeutic target in the retina. Targeting TSPO with XBD173 was able to reverse microglial reactivity and could prevent degenerative processes in the retina. In addition, the study showed that the antibiotic minocycline effectively counter-regulates microgliosis and light-induced retinal degeneration. Considering that microgliosis is a major contributing factor for retinal degenerative disorders, this thesis supports the concept of a microglia-directed therapy to treat retinal degeneration.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Mikrogliazellen sind die Gewebsmakrophagen des zentralen Nervensystems (ZNS). Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Immunabwehr sowie der Aufrechterhaltung der Gewebshomöostase. Chronische Mikrogliaaktivierung, Mikrogliose, gilt als generelles Kennzeichen von degenerativen und entzündlichen Erkrankungen des ZNS, inklusive der Retina. Eine zunehmende Anzahl von Studien belegt, dass persistierende Mikrogliareaktivität nicht nur eine Folgeerscheinung degenerativer Erkrankungen, sondern aktiv am Voranschreiten solcher Prozesse beteiligt sein kann, beispielsweise durch Produktion reaktiver Sauerstoffspezies oder sogar Phagozytose gestresster, aber lebender Photorezeptoren. Mikroglia-gerichtete Therapien könnten daher ein Behandlungskonzept für retinale Degenerationen darstellen. Bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder Multipler Sklerose wurde festgestellt, dass reaktive Mikrogliazellen eine erhöhte Expression des mitochondrialen Translokatorproteins (18κDa) (TSPO) aufweisen. Deshalb wird TSPO als Gliosemarker im Gehirn verwendet. Spezifische TSPO-Liganden zeigten außerdem Wirksamkeit bei der Behandlung von neuroinflammatorischen Erkrankungen des ZNS. Ob TSPO auch im Auge exprimiert wird und ob TSPO-Liganden möglicherweise zur Therapie von retinalen Degenerationen geeignet sind, ist bisher noch nicht untersucht worden. Neben der Überprüfung, ob TSPO auch als Biomarker für degenerative Veränderungen der Netzhaut verwendet werden kann, wurde in dieser Arbeit untersucht, inwiefern der spezifische TSPO-Ligand, XBD173, Mikroglia Reaktivität modulieren kann und sich zur Therapie von retinalen Degenerationen eignet. Sowohl Untersuchungen an Retinoschisin-defizienten Mäusen, einem Modell für erbliche Netzhautdegeneration, als auch in einem Licht-Schadensmodell zeigten eine Hochregulation von TSPO in Mikrogliazellen. Eine Kolokalisation von TSPO und Mikrogliazellen war außerdem in humanen Retinapräparaten erkennbar und verdeutlicht die potentielle Eignung als Biomarker für retinale Erkrankungen. In vitro Analysen zeigten, dass XBD173 Zeichen von Mikrogliareaktivität wie erhöhte Expression inflammatorischer Marker, Migration, Proliferation und die morphologische Transition zu reaktiven Phagozyten reduziert sowie das neurotoxische Potential von Mikrogliazellen verringert. In zwei unabhängigen murinen Modellen für Licht-induzierte Degeneration, reduzierte die Behandlung mit XBD173 die Akkumulation amoeboider, reaktiver Mikrogliazellen in der äußeren Netzhaut und schützte die Retina vor degenerativen Prozessen, erkennbar durch den Erhalt der Photorezeptorschicht. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war zu untersuchen, ob Minocyclin, ein Antibiotikum mit zusätzlichen anti-inflammatorischen Eigenschaften, Mikroglia Reaktivität modulieren und die Retina vor degenerativen Prozessen schützen kann. Stimulation von Mikrogliazellen mit Minocycline verringerte die Expression von Entzündungsmarkern, die Produktion von toxischem Stickstoffmonoxid und die Neurotoxizität von Mikrogliazellen gegenüber Photorezeptoren. Interessanterweise war zusätzlich zu der immunmodulativen Wirkung war auch ein direkter protektiver Effekt auf Photorezeptoren festzustellen. Behandlung mit Minocyclin bei Licht-induzierter Degeneration wirkte pro-inflammatorischer Mikroglia-Aktivierung entgegen und schützte die Retina vor Degeneration. Die Ergebnisse zeigen, dass sich TSPO als Biomarker für Mikroglia-Reaktivität und therapeutisches Target bei retinalen Degenerationen eignet. TSPO gerichtete Therapie mit XBD173 reduzierte Mikroglia-Reaktivität und verhinderte degenerative Prozesse in der Retina. Zusätzlich zeigt die vorliegende Arbeit, dass das Antibiotikum Minocyclin, Mikrogliose entgegenwirkt und die Retina vor Licht-induzierter Degeneration schützt. Unter der Annahme, dass chronische Mikrogliose maßgeblich den Verlauf von degenerativen Prozessen beeinflussen kann, stellen Mikroglia-gerichtete Therapieansätze ein erfolgsversprechendes Konzept zur Behandlung von retinalen Degenerationen dar. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Scholz, Rebecca rebecca.scholz@uk-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Uniklinik Köln, Augenklinik, Exp. Immunologie des Auges
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-70325
Date:	18 October 2016
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Zentrum für Molekulare Medizin
Subjects:	Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Microglia English Retina English Degeneration English
Date of oral exam:	12 July 2016
Referee:	Name Academic Title Wiesner, Rudolf Prof. Dr. Neundorf, Ines Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7032