Impact of gonadal steroid hormones on neuroinflammation and inflammasome activation in a rodent stroke model

Slowik, Alexander; Wagner, Hermann; Beyer, Cordian

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-004184

Impact of gonadal steroid hormones on neuroinflammation and inflammasome activation in a rodent stroke model = Einfluss von gonadalen Steroidhormonen auf die Neuroinflammation und Inflammasom-Aktivierung in einem Nagetier Schlaganfallmodel

Slowik, Alexander

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Alexander Slowik

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (XIII, 99 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wagner, Hermann (Thesis advisor)^RWTH* ; Beyer, Cordian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-12-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-004184
DOI: 10.18154/RWTH-2017-00418
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/681768/files/681768.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
stroke (frei) ; neuroinflammation (frei) ; micro RNA (frei) ; NLRP3 (frei) ; astrocytes (frei) ; microglia (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Der Schlaganfall betrifft meist ältere Menschen und stellt die dritthäufigste Todesursache in technisch hochentwickelten Ländern dar. Leider sind trotz intensiver Forschungsarbeiten die pathophysiologischen Prozesse beim Schlaganfall kaum verstanden und neue therapeutische Ansätze fehlen. Die einzige bisher zugelassene Substanz ist der rekombinante gewebespezifische Plasminogenaktivator (rtPA). Nach einem Schlaganfall kommt es zu lokalen inflammatorischen Prozessen, bei denen Interleukin-1β (IL1β) eine wichtige Rolle spielt. An der Prozessierung von IL1β sind die Inflammasome (NLRP3, NLRP1b, NLRC4, AIM2) beteiligt. Dies sind intrazelluläre Rezeptoren, die sich nach Aktivierung zu Multiproteinkomplexen zusammenlagern und die IL1β Reifung ermöglichen. Das am besten untersuchte Inflammasom NLRP3 wird u.a. von kurzen RNA-Sequenzen (microRNAs, miRNA) reguliert. MiR-223 ist der bis heute bekannteste NLRP3 Suppressor. Weibliche Steroide, 17β-Östradiol (E2) und Progesteron (P), zeigen in Tierversuchen neuroprotektive Wirkungen, die auf einer Verringerung der Entzündungsreaktion beruhen. Es war Gegenstand dieser Studie, inwieweit E2 und P die Aktivierung von Inflammasomen regulieren. In Ratten wurde ein temporärer Schlaganfall durch Okklusion der Arteria cerebri media induziert. Zelltyp-spezifische Effekte wurden in vitro an BV-2 Zellen (Mikroglia ähnlich) und Astrozyten analysiert. Nach Hypoxie in vitro wurde die Regulation der Inflammasome, deren zelluläre Zuordnung und der Effekt der Hormone bestimmt. Meine in vivo Untersuchungen zeigten einen selektiven und zeitabhängigen Anstieg der Inflammasome NLRP3 und ASC und der Zytokine IL1β, IL18 und TNFα. E2 und P verminderten die Induktion von NLRP3, ASC und Casp1. Gleichzeitig konnte ich nachweisen, dass NLRP3 vornehmlich in Nervenzellen und ASC in Mikrogliazellen vorkommt. NLRP3, ASC und AIM2 wurden ebenso in vitro nach Hypoxie in BV-2 Zellen und Astrozyten induziert. Die Expression dieser Inflammasome wurde selektiv durch E2 und P abgeschwächt, wohingegen die Casp1 Aktivität durch E2 und P nicht beeinflusst wurde. Diese Ergebnisse zeigen sehr deutlich die Bedeutung der Inflammasom Aktivierung für frühe pathologische Prozesse nach Schlaganfall. Beide Hormone hemmen die Aktivierung der Inflammasome. Daher ist anzunehmen, dass die neuroprotektive Wirkung beider Steroide vornehmlich auf der Kontrolle dieser inflammatorischen Komponenten beruht.

Stroke is the third most common cause of death in the developed countries. Understanding of the underlying pathophysiological processes of stroke is essential to develop novel and effective treatments. Until now, only the intravenous thrombolysis therapy has proven as an effective pharmacologic treatment strategy after acute stroke. Early inflammatory responses occur after an ischemic insult leading to neuroinflammatory processes in the affected brain area. Intracellular receptors sensing pathogen or danger-associated molecules termed inflammasomes, such as NLRP3, NLRP1b, NLRC4 or AIM2, are part of the innate immunity. 17β-estradiol (E2) and progesterone (P) were neuroprotective and anti-inflammatory agents in several neuropathological animal studies. MicroRNAs (miRNA) are small nucleotide sequences regulating mRNA expression and translation on the post-transcriptional level. MiR-223 is a natural regulator of the inflammasome NLRP3.I used a rat transient medial cerebral artery occlusion model (tMCAO) to address the role of inflammasomes and miR-223 in stroke pathology. Additionally, I used an in vitro hypoxia approach to investigate the impact of hypoxic conditions of inflammasome activation in the microglia-like cell line BV-2 and primary astrocytes. Finally, I studied the impact of E2 and P on inflammasome expression and activation as well as miRNA-223 regulation. Ischemia lead to increased expression profiles of several cytokines (IL1β, IL18, and TNFα) and inflammasome components. I found that hypoxia selectively and time-dependently induced inflammasome components such as NLRP3 and ASC on the gene and protein level. Further, I could allocate NLRP3 to neuronal cells and ASC to microglia. E2 and P selectively attenuated NLRP3, ASC and active Casp1 protein expression. In agreement, hypoxia regulated miR-223 expression, and gonadal steroids antagonized this effect. Hypoxia in vitro induced the expression of IL1β, NLRP3, ASC and AIM2 in BV-2 cells and astrocytes. E2 and P selectively dampened NLRP3 and ASC expression but showed no effect on Casp1 activity. In conclusion, my data highlight the importance of early inflammasome activation for stroke pathophysiology. Since gonadal steroids are able to alleviate inflammasome activation, I assume that the neuroprotective mechanisms triggered by E2 and P are based upon their anti-inflammatory potential.

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