The effects of the α7 nicotinic acetylcholine agonist PNU-282987 and the nicotonic acetylcholine antagonist mecamylamine on neuroinflammation and neurodegeneration in the acute MPTP mouse model of Parkinson’s disease
The effects of the α7 nicotinic acetylcholine agonist PNU-282987 and the nicotonic acetylcholine antagonist mecamylamine on neuroinflammation and neurodegeneration in the acute MPTP mouse model of Parkinson’s disease
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Original abstract
Das idiopathische Parkinson-Syndrom (IPS) zählt zu den häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen. Es ist pathogenetisch durch die Degeneration dopaminerger Neurone und eine begleitende Neuroinflammation in der Substantia nigra pars compacta (SNpc) gekennzeichnet. Die Ätiologie der Erkrankung ist trotz intensiver Forschung unbekannt. Ein kausaler Therapieansatz konnte bisher nicht gefunden werden. Zunehmend gibt es Evidenz dafür, dass die durch aktivierte Mikroglia ausgelöste Neuroinflammation in der SNpc nicht nur Folge der dopaminergen Degeneration ist, sondern selbst zum Zelluntergang beiträgt. Bei Schädigung dopaminerger Neurone in der SNpc kommt es zur Mikroglia-Aktivierung. Aktivierte Mikroglia sezernieren eine Reihe pro-inflammatorischer und potentiell neurotoxischer Faktoren, darunter die Zytokine IL-1β, IL-6 und TNF-α, die wiederum dopaminerge Neurone schädigen können. Dieser Circulus vitiosus – auch als reaktive Mikrogliose bezeichnet – beschreibt eine sich selbst aufrechterhaltende Neurotoxizität, die zu einer fortschreitenden Neurodegeneration führt. Bei schweren Infektionen hat der Körper die Möglichkeit, das Ausmaß der Inflammation über den inflammatorischen Reflex des autonomen Nervensystems zu regulieren. Dessen efferenter Arm wird als cholinerger anti-inflammatorischer Signalweg bezeichnet. Wichtiger Bestandteil dieses Signalwegs ist der α7-nikotinerge Acetylcholin (α7-nACh)-Rezeptor, der auf Immunzellen wie Mikroglia exprimiert wird. Seine Aktivierung führt u.a. zu einer Hemmung der NFκB-Translokation in den Zellkern, zur Aktivierung des Jak2/STAT3-Signalwegs und in der Folge zu einer verminderten Produktion pro-inflammatorischer Zytokine. In experimentellen Modellen verschiedener entzündlicher Erkrankungen konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung dieses Signalwegs die Inflammation eindämmen und das Überleben verbessern kann. Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen, ob die Neuroinflammation in der SNpc über diesen Signalweg beeinflussbar ist und ob dies einen möglichen Therapieansatz des IPS darstellen könnte. Anhand des akuten MPTP-Mausmodells wurden die Effekte des selektiven α7-nACh-Agonisten PNU-282987 und des nACh-Antagonisten Mecamylamin auf Neuroinflammation und dopaminerge Neurodegeneration untersucht. Das MPTP-Mausmodell ist das am häufigsten verwendete Tiermodell der Parkinson-Erkrankung. MPTP ist ein Neurotoxin, das selektiv dopaminerge Neurone in der SNpc zerstört und zum Parkinson-Syndrom führt. Die relativ hohe Dosierung der hier angewandten akuten MPTP-Intoxikation (4x 20mg/kg Körpergewicht intraperitoneal im Abstand von 2 Stunden) führt zudem zu einer ausgeprägten Neuroinflammation. Um das Ausmaß der Neuroinflammation zu beurteilen, wurden die striatalen Konzentrationen der pro-inflammatorischen Zytokine IL-1β, IL-6 und TNF-α sowie des anti-inflammatorischen Zytokins IL-10 mittels ELISA bestimmt. Die Anzahl aktivierter Mikroglia in der SNpc wurde immunhistochemisch erfasst. Die Auswirkungen der Behandlung auf die dopaminerge Neurodegeneration wurden anhand der Anzahl immunhistochemisch nachgewiesener dopaminerger Neurone in der SNpc untersucht. Zudem wurden die striatalen Konzentrationen von Dopamin, 3,4-Dihydroxyphenylessigsäure (DOPAC) und Homovanillinsäure ebenso wie der Dopamin-Umsatz bestimmt. Mögliche Auswirkungen auf das motorische Verhalten der Tiere sollten mit Hilfe des Rotarod-Tests erfasst werden. Die Behandlung mit PNU-282987 hat die Neuroinflammation in der SNpc im akuten MPTP-Mausmodell abgeschwächt, indem es die Mikroglia-Aktivierung vermindert und den MPTP-induzierten Konzentrationsanstieg von IL-1β und TNF-α reduziert hat. PNU-282987 konnte darüber hinaus den MPTP-bedingten dopaminergen Zelluntergang in der SNpc sowie den striatalen Dopaminmangel reduzieren. Auch die Konzentration von DOPAC wurde erhöht. Die neuroprotektive Wirkung von PNU-282987 ist wahrscheinlich auf sein anti-inflammatorisches Potential zurückzuführen. Allerdings ist nicht auszuschließen, dass PNU-282987 auch über eine Modulation der Neurotransmitter-Freisetzung gewirkt haben könnte. Immerhin findet sich der α7-nACh-Rezeptor auch auf präsynaptischen Neuronen im Striatum, wo er als ligandengesteuerter Calciumkanal fungiert. Die Gabe des nACh-Antagonisten Mecamylamin führte wider Erwarten ebenfalls zu einer reduzierten Neuroinflammation. Allerdings wirkte Mecamylamin nicht neuroprotektiv, was möglicherweise auf seine Eigenschaften als unselektiver Antagonist an nACh-Rezeptoren zurückzuführen ist. Die Ergebnisse dieser Studie bekräftigen die Annahme, dass ein zentraler cholinerger anti-inflammatorischer Signalweg existiert, und demonstrieren das therapeutische Potential einer Aktivierung des α7-nACh-Rezeptors in der Behandlung des IPS. Parkinson’s disease (PD) is one of the most common neurodegenerative disorders. Its pathogenetic hallmarks are the degeneration of dopaminergic neurons and an accompanying neuroinflammation in the substantia nigra pars compacta (SNpc). Despite intensive research, the aetiology of PD remains still unknown and there is no causal treatment yet available. Increasing evidence suggests that neuroinflammation in the SNpc caused by activated microglia is not only a result of dopaminergic neurodegeneration but also contributing to the cell loss. Damage of dopaminergic neurons in the SNpc results in an activation of microglial cells. Activated microglia produce a range of pro-inflammatory and potentially neurotoxic factors, e.g. the cytokines IL-1β, IL-6 and TNF-α, that can harm dopaminergic neurons in turn. This vicious circle – also known as reactive microgliosis – describes a self-propelling neurotoxicity which leads to a progressive neurodegeneration. During severe infections, the body has the potential to adjust the magnitude of inflammation by means of the inflammatory reflex by the autonomic nervous system. The efferent arm of this inflammatory reflex is termed the cholinergic anti-inflammatory signaling pathway. A major component of this pathway is the α7 nicotinic acetylcholine (α7 nACh) receptor which is expressed on immune cells like microglia. Its activation results in an inhibition of NFκB nuclear translocation, an activation of the Jak2/STAT3 signaling pathway and accordingly a decreased production of pro-inflammatory cytokines. Experimental models of several inflammatory diseases have shown that activation of the cholinergic anti-inflammatory signaling pathway can dampen inflammation and improve survival. Whether neuroinflammation caused by activated microglia in the SNpc can be affected by activation of the cholinergic anti-inflammatory signaling pathway and whether this could be a putative therapy approach of PD was to be examined in this study. Using the acute MPTP mouse model, the effects of the selective α7 nACh agonist PNU-282987 and the nACh antagonist mecamylamine have been investigated. The MPTP mouse model is the most commonly used animal model of Parkinson’s disease. As a neurotoxin MPTP selectively destroys dopaminergic neurons in the SNpc and induces PD. The relatively high dosing of the acute MPTP intoxication applied in this study (4x 20mg/kg body weight intraperitoneal at intervals of 2 hours) produces a distinct neuroinflammation and activation of microglia. To evaluate the extent of neuroinflammation the striatal concentrations of the pro-inflammatory cytokines IL-1β, IL-6 and TNF-α as well as of the anti-inflammatory cytokine IL-10 were quantified using an ELISA. The amount of activated microglia in the SNpc was assessed using immunohistochemistry. The impact of the treatment on dopaminergic neurodegeneration was assessed by means of the number of dopaminergic neurons in the SNpc. In addition, striatal levels of dopamine, 3,4-dihydroxyphenylacetic acid (DOPAC) and homovanillic acid as well as the dopamine turnover were determined. Possible effects on motor performance were investigated using the rotarod test. Treatment with PNU-282987 resulted in an attenuation of neuroinflammation in the MPTP-lesioned SNpc. PNU-282987 was able to dampen activation of microglia in the SNpc and to diminish the MPTP-induced increase of striatal IL-1β and TNF-α. Furthermore, PNU-282987 attenuated the MPTP-induced dopaminergic cell loss in the SNpc and reduced striatal dopamine depletion. The concentration of DOPAC was increased as well. This neuroprotective effect of PNU-282987 is likely due to its anti-inflammatory potential, but may also be partly explained by its possible modulating effect on neurotransmitter release, as the α7 nACh receptor is also found presynaptically on neurons where it acts as a ligand-gated ion channel. Application of the nACh antagonist mecamylamine led to an attenuation of neuroinflammation against one’s expectations. It did not act neuroprotective though. This is probably due to its properties as an unselective nACh antagonist. The findings of this study strongly support the idea of a central cholinergic anti-inflammatory signaling pathway and demonstrate that activation of the α7 nACh receptor may provide a putative therapeutic target in the treatment of PD.