Der Einfluss einer Hypothermie auf den Phänotyp myeloider Zellen im geschädigten Gehirn nach neonataler Hypoxie-Ischämie

Die hypoxisch ischämische Enzephalopathie (HIE) ist einer der häufigsten Gründe für perinatale Mortalität und Morbidität. Die einzig verfügbare Therapie ist die Hypothermie (HT), die in ihrer Wirksamkeit limitiert ist. Trotz intensiver Forschung konnte bislang kein adjuvanter Therapieansatz in die Klinik übertragen werden. Wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung gezielter Therapien ist ein genaues Verständnis der HIE-Pathophysiologie und der Effektormechanismen der HT. Zentrales Merkmal der HIE-Pathophysiologie sind inflammatorische Reaktionen, wobei myeloide Zellen eine zentrale Rolle spielen. Myeloide Zellen sind durch eine enorme Plastizität gekennzeichnet und können sowohl pro-inflammatorische und neurotoxische (M1- Phänotyp) als auch anti-inflammatorische und neuroregenerative Effekte (M2- Phänotyp) vermitteln. In der vorliegenden Arbeit wurde im Mausmodell der neonatalen HIE gezeigt, dass sich die neuroprotektive Wirkung der HT über die Zeit entfaltet. Dem protektiven Effekt 7 Tage nach HI ging eine stark reduzierte Expression inflammatorischer Moleküle in myeloiden Zellen 1 Tag nach HI voraus. Dies betraf jedoch sowohl Moleküle der klassischen M1 also auch der alternativen M2 Aktivierung, was die allgemeine Kritik am strikten M1/M2 Klassifizierungsschema unterstützt. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die HT die HI-induzierte Infiltration peripherer Makrophagen und Monozyten reduziert. Neben diesen akuten Effekten bewirkte eine HT-Behandlung auch eine sekundäre Reduktion pro-inflammatorischer Zytokine in myeloiden Zellen. Mit der in der vorliegenden Arbeit identifizierten immunmodulatorischen Wirkung einer HT auf myeloide Zellen wurde ein wichtiger Effektormechanismus identifiziert, der sowohl kurz- als auch langfristig wirkt und somit die neuroprotektive Wirkung der HT erklärt. Daneben unterstreichen die hier erlangten Erkenntnisse die Wichtigkeit von Zeitverlaufsanalysen und zellspezifischen Untersuchungen, um die komplexe Wechselwirkung zwischen peripheren und im zentralen Nervensystem ortsständigen Zellen besser zu verstehen. Außerdem wurden selektiv modulierte Moleküle identifiziert, die möglicherweise neue Ansätze für die Verbesserung adjuvanter Therapien liefern könnten.

Neonatal encephalopathy due to hypoxia-ischemia (HI) is a leading cause of death and neurological impairments in term born children. Therapeutic hypothermia (HT) is the only recommended therapy, but it is limited due to low efficacy in severe cases and a short therapeutic window. In spite of tremendous pre-clinical research suggesting adjuvant therapies, clinical translation failed until now. In order to identify adjuvant therapies, a better knowledge of HI pathophysiology and of HT’s effector mechanisms is urgently needed. Inflammation is a major hallmark of HI pathophysiology with myeloid cells playing a key role. Myeloid cells are highly plastic cells, which can contribute to neurodegeneration, represented by the classically activated, proinflammatory and neurotoxic M1 phenotype and the alternatively activated, neuroregenerative M2 phenotype, respectively. In this thesis we showed in a mouse model of neonatal HI that neuroprotective effects of HT develop over time, revealed by a significantly reduced HI-induced brain injury and neuronal loss 7 days post HI, whereas only mild non-significant protection from HI-induced apoptosis and neuronal loss were observed 1 and 3 days after HI. Analyses of ex vivo isolated Cluster of Differentiation (CD) 11b+ cells demonstrated a strong upregulation of the majority of M1 but also M2 marker genes at day 1, which was significantly reduced by HT and rapidly declined at day 3. Furthermore, HI induced a significant increase in the frequency of peripheral macrophages in sorted CD11b+ cells at day 1, which deteriorated until day 7 and was significantly decreased by HT. Importantly, HT also reduced expression of specific pro-inflammatory cytokines in the secondary disease phase. This thesis demonstrate that HT-induced neuroprotection is preceded by acute suppression of HI-induced upregulation of inflammatory genes in myeloid cells and decreased infiltration of peripheral macrophages, both representing potential important effector mechanisms of HT. Furthermore, our findings support the overall criticism on the traditional M1/M2 classification concept. Time course analyses in this thesis also identified selective molecules in the secondary disease phase, which may be important for the targeted development of new adjuvant therapeutic strategies.

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