Universität zu Köln

Wolf, Anne (2020). Role of translocator protein (18 kDa) (TSPO) in retinal phagocytes in a mouse model of age-related macular degeneration (AMD). PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Aberrant immune responses including reactive phagocytes are implicated in the etiology of age-related macular degeneration (AMD), a major cause of blindness in the elderly. Microglia, the resident phagocytes of the retina, play an active role in driving disease onset and progression and thus represent a broad target for therapy. Pharmacological approaches of microglia-related immunomodulation aim at dampening the harmful microglia response while preserving their homeostatic functions. The translocator protein (18kDa) (TSPO) is described as a biomarker for reactive gliosis and specific TSPO ligands have been shown to potently modulate microglia-related inflammatory responses and improved disease outcome in various preclinical model systems including Alzheimer’s, Parkinson’s, multiple sclerosis and degenerative diseases of the retina. However, the underlying molecular mechanisms of TSPO-mediated immunomodulation and its biological functions in health and disease remain elusive. In this study, we report that tamoxifen-induced conditional deletion of TSPO in resident microglia using Cx3cr1CreERT2:TSPOfl/fl mice or targeting the protein with the synthetic ligand XBD173 prevents reactivity of retinal phagocytes in the laser-induced mouse model of neovascular AMD. Concomitantly, the subsequent neoangiogenesis and vascular leakage are also prevented by microglia-specific TSPO knockout or XBD173 treatment. Using different NADPH oxidase (NOX)-deficient mice, we show for the first time that TSPO is a key regulator of NOX1-dependent neurotoxic ROS production in the retina. Here, TSPO regulates the Ca2+ influx from the extracellular milieu into the cytosol that is required for stimulation of NOX1 activity and expression in microglia. We also demonstrate that NOX1-derived ROS induce photoreceptor cell death in a paracrine manner and accordingly, NOX1 knockout mice show the same beneficial effects on CNV and wound healing as XBD173 treatment or microglia-specific TSPO knockout. Taken together, we showed that TSPO acts as a regulatory node and regulates microglia functions through both NOX1-dependent and independent mechanisms, defining a distinct role for TSPO in retinal phagocyte reactivity and highlights the protein as a drug target for immunomodulatory and antioxidant therapies for AMD.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die altersbedingte Makuladegeneration (AMD) ist eine komplex genetische und multifaktorielle degenerative Erkrankung der zentralen Netzhaut, die in der Spätphase zu einem dramatischen Sehverlust führt. Bei allen bis heute untersuchten erblichen Netzhautdegenerationen, einschließlich der AMD, liegt dem Erkrankungsverlauf eine schädliche chronische Aktivierung des angeborenen Immunsystems zugrunde. Vor allem residente Mikrogliazellen, die Gewebsmakrophagen der Netzhaut, spielen eine wichtige Rolle bei der Gewebsintegrität. Durch ihre proinflammatorischen und neurotoxischen Eigenschaften tragen chronisch aktivierte Mikroglia maßgeblich zum Fortschreiten der retinalen Degeneration bei und stellen somit ein Ziel für therapeutische Ansätze dar. Immunmodulatorische, mikrogliagerichtete Therapieansätze zielen dabei darauf ab, die neurotoxischen Eigenschaften zu unterdrücken bei gleichzeitigem Erhalt der homöostatischen Funktionen. Eine Zielstruktur für einen solchen mikrogliagerichteten Therapieansatz stellt das Translokatorprotein (18 kDa) (TSPO) dar. TSPO ist ein mitochondriales Transmembranprotein, das von reaktiven Mikrogliazellen exprimiert wird und als Biomarker für Gliosen dient. In verschiedenen Modellen neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson, multiple Sklerose und Netzhautdegenerationen zeigte die Behandlung mit TSPO-Liganden entzündungshemmende und neuroprotektive Effekte. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen der TSPO-vermittelten Immunmodulation sowie seine biologischen Funktionen sind jedoch noch gänzlich unbekannt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse im laserinduzierten Mausmodell der choroidalen Neovaskularisierung (CNV) als etabliertes Modell für die neovaskuläre Form der AMD, zeigen, dass sowohl die Behandlung mit dem TSPO-Ligand XBD173 als auch die Deletion von TSPO in residenten Mikrogliazellen durch die Erzeugung von Tamoxifen-induzierbaren Cx3cr1CreERT2:TSPOfl/fl Mäusen, eine hemmende Wirkung hinsichtlich der Mikrogliareaktivität als auch der CNV haben. Durch die Analyse von verschiedenen NADPH-Oxidase (NOX)-defizienten Mäusen, konnte TSPO als Schlüsselprotein der NOX1-abhängigen neurotoxischen ROS Produktion in der Netzhaut identifiziert werden. Dabei reguliert TSPO den Einstrom von Ca2+-Ionen aus dem extrazellulären Milieu in das Cytosol, welcher nicht nur für die NOX1 Aktivierung, sondern auch für die NOX1 Expression in Mikrogliazellen notwendig ist. Ebenfalls zeigen wir die Neurotoxizität der NOX1-abhängigen ROS auf Photorezeptorzellen und damit übereinstimmend eine positive Auswirkung einer NOX1-Defizienz auf den Krankheitsverlauf im laserinduzierten Mausmodell der CNV. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit eine distinkte Rolle für TSPO in retinalen Phagozyten als regulatorisches Schlüsselprotein auf, dass die Funktionen der Mikrogliazellen sowohl durch NOX1-abhängige als auch -unabhängige Mechanismen reguliert und somit TSPO als Zielstruktur zur immunmodulatorischen und antioxidativen Therapie für AMD hervorhebt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wolf, Anne annewolf.90@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Universität zu Köln, Department für Ophthalmologie, Experimentelle Immunologie des Auges
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-116983
Date:	2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Microglia English TSPO English Age-related macular degeneration English NOX1 English Retina English Inflammation English Laser-induced CNV English XBD173 English NADPH oxidases UNSPECIFIED Translocator protein UNSPECIFIED
Date of oral exam:	5 August 2020
Referee:	Name Academic Title Langmann, Thomas Prof. Dr. Rugarli, Elena Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/11698