Murine optic nerve glial cell changes in the cuprizone multiple sclerosis model and the impact of oligodendroglial GABAB receptor loss

Abstract

Multiple Sclerosis (MS) is a chronic neuroinflammatory and demyelinating disease of the central nervous system (CNS). The optic nerve is therefore often the first to show symptoms. Although demyelination in MS patients has been known for decades, the molecular mechanisms involved in oligodendroglial death and thus axonal demyelination remain unclear. Currently, the comprehension of the etiopathogenesis of MS is mainly based on insights gained via animal models. However, one animal model can never encompass the entire spectrum of clinical courses and pathological features of the disease. Therefore, various mouse models have proven highly valuable for investigating distinct aspects of de- and remyelination. One of the most commonly used animal models in MS research is the cuprizone model, which induces demyelination through toxin exposure. Oral administration of cuprizone results in oligodendrocyte apoptosis, which reflects the fundamental traits of the progressive course of MS. The objective of this study was to evaluate the effectiveness of a modified cuprizone model for the optic nerve. Furthermore, focus was set on the oligodendroglial GABAB receptor and whether its loss or rather knockout would affect myelination and the subsequent interaction of glial cells. Recent data suggest that the oligodendroglial GABAB receptors may indeed play a role in myelin modification. To further investigate the influence of this receptor loss, a specific mouse line was established. The cell-specific conditional GABAB receptor knockout mouse line was generated by crossing the GABABfl/fl mouse with the NG2-CreERT2 x GCaMP3 driver mouse line for oligodendrocyte progenitor cells (OPCs). Consequently, two major groups were studied for this work, both subjected to the same cuprizone protocol. In the first group, the GABAB receptor knockout was not induced (Non- inducedclt group). The mice were examined immediately after the cuprizone treatment and therefore the focus was solely on the effect of the cuprizone treatment. The second group with an induced knockout (GABAknockout group) was examined two weeks after the end of cuprizone treatment. Here, both cuprizone effect and the impact of GABAB receptor knockout were analyzed. Based on recent studies, it is thought that the Non-inducedclt mice are in the early demyelination phase whereas the GABAknockout mice are already in the early stages of remyelinating. In this study, astrocytes in the optic nerve showed an increased activation two weeks after ending cuprizone treatment, suggesting an event at the glial level. The GABAB receptor, on the other hand, showed a myelin-supporting function, particularly in the absence of cuprizone. In order to put the results on the optic nerve in a broader context, this study additionally examined different regions of the mice's brains. The changes in the brain caused by cuprizone, have already been demonstrated in several studies. However, the effect of the modified cuprizone treatment were investigated in a representative manner in the corpus callosum, cortex, striatum and thalamus for the modified cuprizone diet. Taken together, these results support previous literature and confirm that the modified cuprizone diet is a proven model for inducing glial changes. However, further studies of the cuprizone model in the optic nerve are needed to investigate the molecular mechanisms associated with the loss of oligodendroglial GABAB receptors during the myelination process.

Multiple Sklerose (MS) ist eine chronische neuroinflammatorische und demyelinisierende Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), die häufig anfänglich den Sehnerv betrifft. Obwohl die Demyelinisierung bei MS Patienten seit Jahrzehnten bekannt ist, sind die molekularen Mechanismen, die letztendlich zum Absterben der Oligodendroglia und damit zum axonalen Myelinverlust führen, nach wie vor nicht abschließend geklärt. Bis heute basiert unser Verständnis der Ätiopathogenese hauptsächlich auf einem durch Tiermodellen erlangten Wissen. Dabei kann ein einzelnes Tiermodell nie das gesamte Spektrum klinischer Ausprägungen und pathologischer Merkmale der Erkrankung abdecken. Es erwiesen sich daher unterschiedliche Tiermodelle als äußerst wertvoll, um verschiedene Aspekte oder Targets der De- und Remyelinisierung zu untersuchen. Eines der am häufigsten angewandten Modelle ist dabei die Toxin-induzierte Demyelinisierung im Cuprizon Modell. Die orale Verabreichung von Cuprizon führt zur Apoptose von Oligodendrozyten und spiegelt dabei vor allem grundlegende Charakteristika des progressiven MS Verlaufs wider. Für dieser Arbeit wurde ein modifiziertes Cuprizon Modell entwickelt dessen Effizienz insbesondere im Hinblick auf Veränderungen des Sehnervs untersucht werden sollte. Darüber hinaus lag der Fokus auf dem oligodendrogliale GABAB-Rezeptor und der Frage, ob dessen Verlust beziehungsweise Knockout einen Einfluss auf die De- und Remyelinisierungsfähigkeit und die nachfolgende Interaktion von Gliazellen hat. Aktuelle Daten deuten bereits darauf hin, dass die oligodendroglialen GABAB-Rezeptoren eine Rolle bei der Myelinmodifikation spielen könnten. Es wurde daher eine spezifische Mauslinie entwickelt, die diesen zellspezifische konditionalen GABAB-Rezeptor-Knockout trägt. Diese Mauslinie wurde erzeugt durch die Kreuzung der GABABfl/fl-Maus mit der NG2- CreERT2xGCaMP3-Treibermauslinie für Oligodendrozyten-Vorläuferzellen (OPCs). Für diese Arbeit wurden zwei große Gruppen untersucht, wobei beide dem gleichen Cuprizon Protokoll unterzogen wurden. In der ersten Gruppe wurde der GABAB Rezeptor knockout nicht induziert (Non-inducedclt Gruppe). Die Mäuse wurden unmittelbar nach der Cuprizon-Behandlung untersucht, und der Fokus lag allein auf dem Effekt der Cuprizon Behandlung. Die zweite Gruppe hingegen, mit induziertem GABAB Rezeptor Knockout (GABAknockout Gruppe), wurde erst zwei Wochen nach Beendigung der Cuprizon-Behandlung untersucht und sowohl auf die Cuprizon Effekte als auch auf die Auswirkungen des GABAB Rezeptor Knockouts analysiert. Basierend auf aktuellen Studien wird angenommen, dass sich die Non-inducedclt Mäuse in der frühen Demyelinisierungsphase befinden, während die GABAknockout Mäuse bereits in den frühen Stadien der Remyelinisierung sind. In dieser Studie zeigten insbesondere die Astrozyten im Sehnerv zwei Wochen nach der Behandlung mit Cuprizon eine erhöhte Aktivität welches auf ein Geschehen auf Ebene der Gliazellen hindeutet. Der GABAB-Rezeptor hingegen zeigte primär in der Abwesenheit von Cuprizon eine Myelin unterstützende Funktion. Um die Ergebnisse am Sehnerv in einen größeren Kontext zu stellen, wurden in dieser Arbeit zusätzlich verschiedene Hirnregionen der Mäuse untersucht. Die bereits in vielen Studien nachgewiesenen Veränderungen im Gehirn durch Cuprizon sollen hier repräsentativ im Corpus callosum, Cortex, Striatum und Thalamus für unsere modifizierte Cuprizon Diät aufgezeigt werden. Insgesamt unterstützen unsere Ergebnisse die bisherige Literatur und bestätigen, dass die modifizierte Cuprizon Diät ein bewehrtes Modell für die Auslösung von glialen Veränderungen darstellt. Weitere Untersuchungen des Cuprizon Modells am Sehnerv sind jedoch notwendig, um die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die mit dem Verlust oligodendroglialer GABAB-Rezeptoren während des Myelinisierungsprozesses verbunden sind.