The role of the chemokine receptor CXCR3 in mouse models for IL-12-driven CNS-inflammation and Morbus Alzheimer-like neurodegeneration

Abstract

The chemokine receptor CXCR3 and its corresponding ligands CXCL9, CXCL10 and CXCL11 are well known to be involved in the trafficking and migration of activated CD4⁺ Th1 T cells, CD8⁺ T cells and NK cells during inflammation. Because of the high levels of CXCR3 expression on Th1 and NK cells, this chemokine receptor is used as a prototypical marker for these cells. Functional existence of CXCR3 has also been demonstrated on resident cells of the CNS, although the relevance of CXCR3 for CNS immune and non-immune functions is only scarcely defined. The CXCR3 ligands CXCL9, CXCL10 and CXCL11 are induced in a vast variety of inflammatory CNS diseases with a variable degree of immune cell infiltration, but recently these ligands have also been shown to be induced in neurodegenerative diseases without significant infiltration of immune cells. Taken together, the available data argues for a diverse and complex role of CXCR3 in neuroinflammatory diseases, which is beyond simple immune cell attraction. Furthermore, the impact of CXCR3 in neurodegenerative diseases is almost undiscovered.<br /> To further examine the functional role of CXCR3 in CNS disease models, we genetically deleted the CXCR3 receptor in specific CNS disease models. We first focused on the impact of CXCR3 on a highly inflammatory, Th1 cell-mediated immune response in the CNS induced by the CNS-specific production of IL-12 in transgenic mice (GF-IL12 model). Secondly and in contrast to the first model, we examined the role of CXCR3 signaling in a neurodegenerative disease using transgenic mice co-expressing two human Alzheimer’s disease (AD) mutations with only minor inflammatory features (APP/PS1 model). <br /> GF-IL12 mice develop ataxia due to severe cerebellar inflammation, but have little overt ocular pathology. In GF-IL12 mice deficient for CXCR3 the incidence of ataxia was drastically reduced, but surprisingly all mice developed cataract and severe inflammatory destruction of the eyes. Histological examination revealed only minimal cerebellar inflammation in the majority of GF-IL12/CXCR3KO mice, but severe retinal disorganization, loss of photoreceptors and lens destruction of the eyes. The number of CD3⁺, CD11b⁺ and NK 1.1⁺ cells were reduced in the cerebellum, but highly increased in the eyes of GF-IL12/CXCR3KO compared to GF-IL12 mice. In addition, high levels of various transcripts of proinflammatory cytokines were found in the cerebellum of GF-IL12 and the eye of GF-IL12/CXCR3KO mice. These findings demonstrate key, but paradoxical functions for CXCR3 in IL-12-induced immune pathology in the CNS, promoting inflammation in the brain yet restricting it in the eye. From this experiment we conclude that CXCR3 can have both striking protective and harmful functions in CNS and ocular inflammation and that this effect does not only depend on the trigger as suggested by previous studies but likely also on the micro-milieu of the affected organ.<br /> Early chemokine induction has been described in chronic neurodegenerative diseases such as AD. Descriptive studies in brain tissue from AD patients and the according animal models revealed high levels of the chemokine CXCL10, suggesting an important pathogenetic role of this chemokine and the corresponding receptor CXCR3. To further elucidate the role of CXCR3 in a less inflammatory CNS disease model, we analyzed CXCR3-competent APP/PS1 transgenic mice and APP/PS1/CXCR3^-/- transgenic mice for Aβ-deposition, APP-processing and inflammatory gene transcription. Furthermore, microglial phagocytosis assays were used to analyze the impact of CXCR3 on the microglial phagocytosis of Aβ. We found a strongly reduced plaque burden and Aβ peptide-levels APP/PS1/CXCR3^-/- compared to APP/PS1 mice. An alternative morphological activation and diminished accumulation of microglia was detected in APP/PS1/CXCR3^-/- mice and after cortical injection of Aβ into CXCR3^-/- mice. CXCR3 deficiency led to a reduction of proinflammatory cytokine RNA levels like TNF-α and IL-1β in APP/PS1 brain tissue. <em>In vitro</em>, CXCR3^-/- and CXCR3 antagonist treated microglia showed enhanced phagocytosis of Aβ. Taken together, we identified CXCR3 as a critical factor modulating the development of the microglial response and thereby the progression of the Alzheimer’s like pathology observed in APP/PS1 mice. <br /> The presented studies highlight the potent but also complex functional properties of CXCR3 in both, highly inflammatory and neurodegenerative CNS-disease models. CXCR3 appears to be a novel and promising therapeutic target for AD but our data further underline the functional complexity and unpredictability of this chemokine system in CNS diseases. Until then, therapeutic targeting of CXCR3 has to be proceeded with caution.

<strong>Die Rolle des CXCR3 Rezeptors in Mausmodellen für IL-12 induzierter Neuroinflammation und Alzheimer-ähnlicher Neurodegeneration</strong><br /> Im Rahmen von Entzündungsreaktionen sind der Chemokinrezeptor CXCR3 und die CXCR3-Liganden CXCL9, CXCL10 und CXCL11 maßgeblich an der Steuerung und Migration von aktivierten CD4⁺ Th1 T Zellen, CD8⁺ T Zellen und NK Zellen beteiligt. CXCR3 ist der typisches Markermolekül für Th1 und NK Zellen. Die funktionelle Expression von CXCR3 ist auch auf Zellen des ZNS nachgewiesen worden, wobei der Einfluss dieses Rezeptorsystems auf immunologische und nicht-immunologische Prozesse im ZNS noch unzureichend geklärt ist. Im ZNS werden die Liganden CXCL9, CXCL10 und CXCL11 in einer Vielzahl von inflammatorischen Erkrankungen mit variabler Immunzellinfiltration induziert. In der Übersicht diverser Studien zu entzündlichen Erkrankungen des ZNS zeigt sich eine komplexe Rolle des CXCR3 Rezeptorsystems, welche jenseits einfacher Zellrekrutierung liegt. Vergleichend dazu ist der Einfluss des Rezeptors auf den Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen ohne signifikante Immunzellinfiltration bisher nahezu ungeklärt.<br /> Um die Rolle von CXCR3 besser definieren zu können, wurde der Rezeptor in zwei ZNS Erkrankungsmodellen durch genetischen Knockout deletiert. Der erste Teil der Arbeit fokussiert sich auf eine hochentzündliche, Th1-gesteuerte Immunantwort, die durch die ZNS-spezifische Expression von IL-12 in transgenen Mäusen vermittelt wird (GF-IL12 Modell). <br /> Im Gegensatz zum ersten Modell, wurde im zweiten Modell die Rolle von CXCR3 in einer neurodegenerativen Erkrankung mit entzündlichen Prozessen, jedoch ohne signifikante Immunzellinfiltration analysiert (APP/PS1 Modell). Das hierzu verwendete transgene Mausmodell basiert auf der Koexpression zweier humaner Alzheimer-Mutationen (APP/PS1).<br /> GF-IL12 Mäuse entwickeln eine progrediente Ataxie, infolge einer starken zerebellären Entzündungsreaktion, jedoch ohne pathologische Veränderungen des Auges. Bei GF-IL12 Mäusen mit CXCR3-Defizienz (GF-IL12/CXCR3KO) kommt es zu einer drastisch verringerten Inzidenz der Ataxie, aber zu einer frühen Bildung von Katarakten, begleitet von einer starken Entzündungsreaktion, welche bis hin zur Atrophie des Auges führt. Histologische Untersuchungen der GF-IL12/CXCR3KO Mäuse belegen eine zum Großteil sehr milde zerebelläre Entzündung, jedoch die Disorganisation der Zellschichten der Retina konkomitierend mit dem Verlust der Photorezeptor-Zellschicht und der Zerstörung der Linse. Im Vergleich zu GF-IL12 Mäusen zeigen GF-IL12/CXCR3KO Tiere eine reduzierte Anzahl von CD3⁺, CD11b⁺ und NK 1.1⁺ Zellen im Zerebellum, jedoch stark erhöhte Populationen dieser Zellen im Auge. Weiterhin wurde die Erhöhung von Zytokin/Chemokin Transkripten im Zerebellum von GF-IL12 und in den Augen von GF-IL12/CXCR3KO Mäusen detektiert. Die vorliegende Arbeit weist auf eine Schlüsselfunktion von CXCR3 in der IL-12 induzierten ZNS-Pathologie hin, welche gewebespezifisch eine Entzündung im Zerebellum fördern, jedoch im Auge unterdrücken kann. Die Induktion von Chemokinen im frühen Stadium von ZNS-Pathologien ist ein Charakteristikum von chronisch neurodegenerativen Erkrankungen, wie der Alzheimer-Erkrankung (AD). In der Vergangenheit wurde in einer Reihe von deskriptiven Studien die Induktion von CXCL10 im Hirngewebe von AD-Patienten und in AD-Maus-Modellen dokumentiert, jedoch nicht funktionell untersucht.<br /> In der zweiten Studie wurden APP/PS1 und CXCR3-defiziente APP/PS1 (APP/PS1/CXCR3^-/- Mäuse gezüchtet und auf β-Amyloid-(Aβ)-Plaquelast, APP-Prozessierung und Transkription proinflammatorischer Gene untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss des CXCR3 Rezeptors auf die Phagozytose von Aβ durch Mikroglia untersucht. Es zeigte sich, dass APP/PS1/CXCR3^-/- Mäuse eine stark reduzierte Plaquelast, sowie eine reduzierte Menge an löslichen und unlöslichen Aβ-Peptiden aufweisen. Zudem ließ sich eine differentielle morphologische Aktivierung und verringerte Akkumulation von Mikroglia in APP/PS1/CXCR3^-/- Tieren, sowie in CXCR3^-/- Mäusen nach intrazerebraler Aβ-Injektion beobachten. Des Weiteren verringert CXCR3-Defizienz im APP/PS1-Model die Genexpression von proinflammatorischen Zytokinen wie TNF-α und IL-1β. <em>In vitro</em> kultivierte, primäre CXCR3^-/- Mikroglia phagozytieren signifikant mehr fibrilläres Aβ, was sich darüber hinaus auch in WT Mikroglia nach blockieren des CXCR3 Rezeptors beobachten lässt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CXCR3 eine wichtige Funktion in der Entwicklung der Alzheimer-ähnlichen Krankheit im APP/PS1 Model hat. <br /> Die vorliegenden Modelle für hoch entzündliche und degenerative neurologische Erkrankungen geben Einsicht in potente, aber komplexe Funktionen des CXCR3 Rezeptorsystems. CXCR3 moduliert nicht nur die Verteilung und Aktivierung von infiltrierenden Immunzellen, sondern auch von residenten Immunzellen des ZNS.