Novel biomarkers in multiple sclerosis pathology with a focus on neuroprotection and myelin repair

Abstract

Multippel sklerose (MS) er en sykdom som fører til skade på nervesystemet, kjennetegnet av definerte områder med vevsskade (lesjoner) i sentralnervesystemet (CNS). Dette resulterer i varig funksjonshemming hos pasienter. Tap av myelin, sammen med betennelse, død av oligodendrocytter, gliose og tap av aksoner, er sentrale elementer i MS-patologien. Den nåværende forståelsen av MS-patologien er hovedsakelig fokusert på inflammatoriske prosesser i CNS. Imidlertid er tilgjengelige medikamenter som retter seg mot betennelse, begrenset effektive når det gjelder kronisk nevrodegenerasjon og reparasjon av myelin.

I denne studien har vi tatt en reduksjonistisk tilnærming på grunn av den komplekse og varierte patologien til MS. Vi har fokusert på to patologiske mekanismer: nevrobeskyttelse og reparasjon av myelin. Vi har benyttet to komplementære dyremodeller for MS, nemlig den eksperimentelle autoimmune encefalomyelitt (EAE)-modellen og cuprizone (CPZ)-indusert modell for de- og remyelinisering. Proteomiske studier har identifisert regulerte proteinmolekyler i den frontale cortex i hjernen i begge musmodellene for MS. Både legumain (LGMN) og komplementkomponent 1q (C1Q) viste betydelig økt aktivitet i CPZ-modellen, mens hemopexin var markert økt i EAE-modellen. Vi observerte en sammenheng mellom legumain og økt lesjonsaktivitet i hvit substans (WM) i MS-hjernen. I grå substans (GM) viste en del kortikale nevroner svak legumain immunpositivitet. MS-tilfeller viste generelt høyere legumain immunpositivitet i cortex sammenlignet med kontrollgruppen. Legumain kan derfor potensielt være et verdifullt terapeutisk mål i MS, med eksisterende hemmere som allerede brukes i behandlingen av Parkinsons og Alzheimers sykdommer (Artikkel I). I den proteomiske studien fant vi at ermin, et oligodendrocytt-spesifikt protein, var nedregulert i CPZ-modellen for de- og remyelinisering på sykdommens høydepunkt sammenlignet med kontroller. I vår histopatologiske studie i CPZ-modellen observerte vi at andelen av ermin positive celler økte betydelig i begynnelsen av remyelinisering i corpus callosum, et område i hjernen som inneholder bunter av myeliniserte aksoner. Det humane tilsvaret til ermin-proteinet hadde betydelig høyere immunpositivitet i remyeliniserte deler av MS-lesjoner, både i WM- og GM-lesjoner, og ble uttrykt i utviklingsstadiet av oligodendrocyttprogenitorer som er i stand til å produsere myelin. Derfor kan en relativt høyere andel av ermin-immunpositivitet i oligodendrocytter sammenlignet med Nogo-A indikere pågående eller nylig remyelinisering (Artikkel II). Chitinase 3 Like 1 (CHI3L1), et sekretorisk glykoprotein, er en av de mest studerte biomarkørkandidatene for MS. Vi fant at tettheten av CHI3L1-positive nevroner var betydelig høyere i tilsynelatende normalt grå substansvev hos MS-pasienter sammenlignet med kontrollgruppen (p = 0,014). I MS-hvit substans ble CHI3L1 påvist i astrocytter i lesjonområder, så vel som i perivaskulære områder som så normale ut, og i fagocytiske celler i tidlige stadier av lesjonsutviklingen. I CPZ-modellen var tettheten av CHI3L1-positive celler sterkt assosiert med mikroglial aktivering i WM og betennelse i koroidplexus. Sammenlignet med kontroller økte CHI3L1-immunpositivitet i WM allerede i den tidlige fasen av CPZ-eksponering. I GM økte CHI3L1 immunpositivitet senere i CPZ-eksponeringsfasen, spesielt i de dype områdene av grå substans. Dette tyder på en sammenheng mellom CHI3L1 og nevronal belastning som respons på betennelse i MS, noe som potensielt kan føre til nevronal aldring (Artikkel III).

Alle tre proteinmolekylene, LGMN, ermin og CHI3L1, er av tilstrekkelig betydning til å bli utforsket og brukt som biomarkører og/eller terapeutiske mål i fremtidige kliniske studier av nevrobeskyttelse og reparasjon av myelin ved MS.

Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating disease characterized by well-defined focal areas of tissue damage (lesions) in the central nervous system (CNS), leading to permanent disability in patients. Areas of myelin loss are the hallmark of MS pathology, along with inflammation, oligodendrocyte death, gliosis, and axonal loss. The current understanding of MS pathology primarily focuses on inflammatory processes in the CNS. However, available medications targeting inflammation are largely ineffective in some aspects of the disease, including chronic neurodegeneration and myelin repair.

Because of the complex and variable pathology of MS, a reductionistic approach has been taken in this study. We focused on two pathological mechanisms: neuroprotection and myelin repair. We used two complementary animal models of MS, the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) model and the cuprizone (CPZ)-induced de-and remyelination model. Proteomic studies highlighted regulated protein molecules in the frontal cortex of the brain in two complementary MS mouse models. Both Legumain (LGMN) and complement component 1q (C1Q) showed significant upregulation in the cuprizone (CPZ) model, whereas hemopexin was notably upregulated in the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) model. In the MS brain, we observed a correlation between legumain and increased lesion activity in white matter (WM). In grey matter (GM), a subset of cortical neurons demonstrated weak legumain immunopositivity. MS cases showed higher overall legumain immunopositivity in the cortex compared to the controls. Legumain could potentially be a valuable therapeutic target in MS, with existing inhibitors suggested for use in Parkinson's and Alzheimer's diseases (Paper I). In the proteomic study, ermin, an oligodendrocyte-specific protein, was down-regulated in the CPZ model of de-remyelination at the disease peak compared to controls. In our histopathological study in the CPZ model of de- and remyelination, the relative proportion of ermin+ cells compared to cells positive for the late-stage oligodendrocyte biomarker Nogo-A increased significantly at the onset of remyelination in the corpus callosum, the brain part containing the bundles of myelinated axons. The human orthologue of ermin protein had substantially higher immunopositivity in remyelinated parts of MS lesions, both in WM and GM lesions, and expressed in the developmental stage of oligodendrocyte progenitors capable of myelination. Thus, a relatively higher proportion of ermin immunopositivity in oligodendrocytes compared to Nogo-A could indicate recent or ongoing remyelination (Paper II). Chitinase 3 Like 1 (CHI3L1), a secretory glycoprotein, is one of the most studied CSF biomarker candidates in MS. We found that the density of CHI3L1-positive neurons was found to be significantly higher in normal-appearing MS grey matter tissue compared to that of control subjects (p = 0.014). In MS white matter, CHI3L1 was detected in astrocytes located within lesion areas, as well as in perivascular normal-appearing areas and in phagocytic cells from the initial phases of lesion development. In the CPZ model, the density of CHI3L1-positive cells was strongly associated with microglial activation in the WM and choroid plexus inflammation. Compared to controls, CHI3L1-immunopositivity in WM was increased from an early phase of CPZ exposure. In the GM, CHI3L1 immunopositivity increased later in the CPZ exposure phase, particularly in the deep grey matter region. This observation implies a correlation between CHI3L1 and neuronal stress in MS as a response to inflammation, potentially leading to neuronal senescence (Paper III).

All three protein molecules, LGMN, ermin, and CHI3L1, are of sufficient potential importance to be explored/used as biomarkers and/or therapeutic targets in further clinical studies on neuroprotection and myelin repair in MS.