The role of PPARγ in myeloid cells in experimental autoimmune encephalomyelitis

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is a common chronic inflammatory demyelinating disease of the central nervous system (CNS) affecting more than 1 million people worldwide. It mainly affects young adults and has a great impact on the social economic situation. Although several therapeutic drugs are available for slowing down progression or reducing number of relapses there is a clear need for more efficacious therapies.<br /> The peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ), a nuclear transcription factor with anti-inflammatory effects, influences pro-inflammatory responses of several immune cell types during experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), the animal model of MS, which ameliorates the disease course and reduces neuronal damage. Hence, PPARγ seems to be a promising target for therapeutic treatment during EAE and MS.<br /> The aim of this thesis was to investigate the relevance of PPARγ specifically in myeloid cells for control of their inflammatory activity <em>in vitro </em>and<em> in vivo</em>. To this end, we made use of a conditional knock-out mouse model which exhibits targeted deletion of PPARγ in M-lysozyme (LysM)-expressing cells (LysM-PPARγ^KO mice) which comprise myeloid cells such as monocytes, macrophages, CNS-resident microglial cells as well as neutrophilic granulocytes.<br /> We observed significantly enhanced production of pro-inflammatory cytokines, chemokines and neurotoxic mediators by PPARγ-deficient (PPARγ^KO) primary microglial cells and macrophages compared to PPARγ^WT cells <em>in vitro</em>. Importantly, we could demonstrate in vivo, that LysM-PPARγ^KO mice exhibited an aggravated course of disease during the effector phase of EAE. This aggravation was accompanied by a more pronounced local inflammatory milieu within the CNS as pro-inflammatory cytokines such as tumor necrosis factor (TNF) α, interleucin (IL) - 12 and IL-6 as well as chemokines like CCL2 and CCL5 were increasingly expressed in LysM-PPARγ^KO mice. Furthermore, this exacerbation was accompanied by an increase of CNS-invading macrophages and T cells as well as an increase in the activation status of PPARγ^KO myeloid cells, which show higher levels of Cluster of Differentiation (CD40) and major histocompatibility complexes (MHC) -II expression.<br /> Furthermore, this thesis addressed the question which subgroup of myeloid cells is the main target for PPARγ-mediated regulation during EAE. By combining monocyte transfer and depletion experiments we identified the myeloid cell population that represents the main population regulated by PPARγ during EAE, i.e. Ly6C^hi inflammatory monocytes. Transfer of PPARγ-deficient monocytes into EAE-diseased mice resulted in a more pronounced aggravation of disease than the transfer of wildtype monocytes. In line with this, depletion of inflammatory monocytes during EAE not only ameliorated the disease course of both, LysM-PPARγ^KO and LysMPPARγ^WT mice but also abrogated the differences observed during the effector phase in LysM-PPARγ^KO mice compared to their wildtype littermates.<br /> In summary, these data provide evidence that PPARγ controls the activation status of myeloid cells during autoimmune responses, thereby affecting the extent of CNS inflammation and hence neuronal damage in EAE. Therefore PPARγ in myeloid cells represents a promising therapeutic target for future treatment of CNS-infammation in MS.

Multiple Sklerose ist eine weitverbreitete chronisch-entzündliche, demyelinisierende Erkrankung des Zentralen Nerven Systems (ZNS), an der weltweit mehr als 1 Millionen Menschen erkrankt sind. Sie betrifft überwiegend junge Erwachsene und hat daher eine große Bedeutung für die sozial-wirtschaftliche Lage. Obwohl verschiedene Medikamente verfügbar sind, die zum einen die Progredienz der Erkrankung verlangsamen oder die Anzahl der Schübe verringern, gibt es einen deutlichen Bedarf für wirksamere Therapien.<br /> Der Peroxisom Proliferator-aktivierte Rezeptor γ (PPARγ), ein nukleärer Transkriptionsfaktor mit anti-inflammatorischen Eigenschaften, beeinflusst die Entzündungsreaktionen verschiedener Immunzelltypen während der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), dem Tiermodell der MS. Dies führt zu einer Besserung des Krankheitsverlaufes und mindert neuronale Schäden. Daher scheint PPARγ einen vielversprechender Ansatz für eine therapeutische Behandlung der EAE und der MS zu sein.<br /> Ziel dieser Arbeit war es, die Relevanz von PPARγ speziell in myeloiden Zellen im Hinblick auf deren entzündliche Aktivierung<em> in vitro </em>und<em> in vivo</em> zu untersuchen. Um dies zu erreichen, wurde ein konditionales Knockout Maus-Modell genutzt, das eine Deletion der PPARγ-Expression ausschließlich in M-Lysozym (LysM) exprimierenden Zellen aufweist, darunter Monozyten, Makrophagen, ZNS-stämmige Mikroglia und neutrophile Granulozyten.<br /> Hierbei wurden <em>in vitro</em> in primären Mikrogliazellen und Makrophagen mit fehlerhaftexpremiertem PPARγ (PPARγ^KO) signifikant erhöhte Produktionen von proinflammatorischen Zytokinen, Chemokinen und neurotoxischen Mediatoren im Vergleich zu Zellen mit funktionalem PPARγ beobachtet.<em> In vivo</em> zeigten Mäuse mit einem konditionalen PPARγ-Knockout in myeloiden Zellen (LysM-PPARγ^KO Mäuse) einen verschlimmerten Krankheitsverlauf während der Effektorphase der EAE. Diese Verschlechterung wurde begleitet von einem erhöhten inflammatorischen Milieu: die pro-inflammatorischen Zytokine TNFα, IL-12 und IL-6, sowie die Chemokine CCL2 und CCL5 waren erhöht. Zudem wurde die Verschlechterung begleitet von einer erhöhten Anzahl in das ZNS einwandernder Makrophagen und T Zellen sowie eine Zunahme der Aktivierung der PPARγ^KO Zellen, die einen Anstieg der CD40- und MHC-II-Expression aufwiesen.<br /> Des Weiteren befasste sich diese Arbeit mit der Fragestellung welche Untergruppe der myeloiden Zellen das Hauptziel für eine PPARγ-vermittelte Regulation während der EAE darstellt. Durch eine Kombination von Experimenten mit Monozyten- Transfer und -Depletion konnte eine bestimmte Population der myeloiden Zellen, die Ly6C^hi inflammatorischen Monozyten, identifiziert werden, die die Hauptpopulation der myeloiden Zellen darstellt, die durch PPARγ während der EAE moduliert wird. Der Transfer von PPARγ-defizienten Monozyten in EAE-erkrankte Tiere ergab eine deutlich ausgeprägte Verschlechterung der Erkrankung im Vergleich zum Transfer von Wildtyp-Monozyten. Dementsprechend führte die Depletion inflammatorischer Monozyten während der EAE nicht nur zu einer Verbesserung des Kranheitsverlaufs sowohl in LysM-PPARγ^KO Mäusen als auch in LysM-PPARγ^WT Mäusen: Zuvor beobachtete Unterschiede während der Effektorphase zwischen LysM-PPARγ^KO Mäuse und Wildtyp Kontrolltieren waren aufgehoben.<br /> Zusammenfassend belegen diese Daten, dass PPARγ den Aktivierungsstatus von myeloiden Zellen während der ZNS Autoimmunität kontrolliert. Zudem begrenzt PPARγ in myleoiden Zellen das Ausmaß der ZNS-Entzündung und die nachfolgenden neuronalen Schäden während der EAE. Daher stellt PPARγ in myeloiden Zellen ein vielversprechendes therapeuthisches Ziel für eine zukünftige Behandlung von ZNSEntzündungen in der MS dar.