Study of inflammatory-related miRNAs after acute CNS injuries

Voelz, Clara Viola; Zimmer-Bensch, Geraldine Marion (Thesis advisor); Beyer, Cordian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Akute Verletzungen des zentralen Nervensystems (ZNS) führen zu einem irreversiblen Zelltod, der zu lebenslangen Behinderungen oder zum Tod führen kann. Akute ZNS-Verletzungen können infolge eines verschlossenen Blutgefäßes, wie beim ischämischen Schlaganfall (IS), oder aufgrund eines akuten Traumas, z.B. bei Rückenmarksverletzungen (SCI, spinal cord injury), auftreten. Die Schädigung ist nicht nur auf das Verletzungsgebiet beschränkt, sondern findet auf systemischer Ebene statt. Infolgedessen wurde die Deregulierung einer großen Zahl von Genen beschrieben, darunter so genannter microRNAs (miRNA). miRNAs sind nicht-kodierende RNAs, die komplementär an mRNA-Stränge binden können, um den Translationsprozess zu hemmen. Nach akuten ZNS-Verletzungen wurde eine Veränderung der miRNA-Level am Ort der Verletzung beschrieben. In dieser Studie wurde untersucht, ob die Auswirkungen auf das ZNS auch zu veränderten miRNA-Level auf systemischer Ebene führen. Experimentell wurden in vivo ein ischemischer Infarkt bei Ratten und eine Rückenmarksverletzung in Mäusen durchgeführt. Der Infarkt wurde durch einen Verschluss der Arteria cerebri media (tMCAo, transient middle cerebral artery occlusion) ausgelöst, die für 1 h mit einem Filamentfaden verschlossen wurde. Bei Mäusen wurde durch eine Quetschung der Brustwirbelsäule eine Lähmung der Hintergliedmaßen ausgelöst. Nach 6, 12, 24 und 72 h wurden die Tiere getötet und Blut- und Gewebeproben entnommen. In vitro wurde eine hypoxische Stimulation menschlicher Mikrogliazellen (HMC-3 Zelllinie) durchgeführt. Nach der tMCAo wurde ein Affymetrix-Array durchgeführt. Daraufhin wurden vier miRNAs ausgewählt (miR-223-3p, miR-155-5p, miR-448-5p und miR-3473), um detailliertere Messungen in verschiedenen Gehirn- und Körperregionen durchzuführen. Da die miRNAs nicht in allen verwendeten Organismen nachweisbar waren, wurde im SCI Modell miR-3473 durch miR-124-3p ersetzt. Das Expressionsniveau der miRNAs wurde mit qRT-PCR in verschiedenen Gehirn- und Körperregionen gemessen, um die Bandbreite der miRNA-Veränderungen zu beobachten. Im tMCAo-Modell wurde eine Veränderung der miRNAs insbesondere in der Großhirnrinde und in der Amygdala beobachtet. Bei miR-223-3p und miR-448 waren die Veränderungen auch in der kontralateralen Gehirnhälfte sichtbar. Im Blutserum wurde ein Anstieg von miR-223-3p nach 6 h beobachtet, während miR-155-5p und miR-3473 zu allen Zeitpunkten herunterreguliert wurden. Im SCI-Modell waren die Veränderungen weniger stark ausgeprägt. Im Bereich der Verletzung stieg die Expression von miR-223-3p und miR-155-5p nach 72 h an. Auch in den rostralen und kaudalen Teilen des Rückenmarks und im Blutserum waren Veränderungen für miR-223-3p, miR-155-5p und miR 124-3p sichtbar. In den peripheren Organen wurde nach 12 h nur eine geringe Herabregulierung für miR-155-5p beobachtet. Ebenfalls wiesen entzündungsbezogene mRNAs wie Nlrp3, Socs1, Socs3 und Vegfa nach tMCAo in allen Gehirn- und Körperregionen eine Hochregulierungen auf, was darauf hindeutet, dass die systemischen Veränderungen mit Reaktionen des Immunsystems zusammenhängen könnten. miRNAs durchlaufen einen mehrstufigen Reifungsprozess, bevor sie in der Lage sind, translationales Silencing zu betreiben. Nach tMCAo und SCI konnten keine Veränderungen in der Genexpression der beteiligten Moleküle (Drosha, Dgcr8, Xpo5, Dicer, Tarbp2, Ago2) beobachtet werden. Nach In vitro Hypoxie wurde jedoch ein Anstieg der Enzyme DROSHA, DICER und AGO2 auf Gen- und Proteinebene festgestellt. Außerdem wurde eine Kolokalisierung von AGO2 und G3BP, einem Marker für Stressgranula, festgestellt. Zukünftige Studien sollten sich also nicht nur auf die miRNA-Target-Interaktion im zerebralen Kortex und im thorakalen Rückenmark konzentrieren, sondern ihre Forschung auf den Hintergrund der miRNA-Transport-/Deregulationsprozesse und den Einfluss auf Prozesse wie die systemische Aktivierung des Immunsystems ausweiten.