Veranderingen in de bloed-hersenbarrière

De resultaten van dit proefschrift bieden meerdere mogelijkheden om nieuwe therapieën te ontwikkelen. Enerzijds om de bloed-hersenbarrière te versterken tijdens MS en zo het binnendringen van witte bloedcellen in het centrale zenuwstelsel en het ontstaan van laesies te remmen. Anderzijds kunnen de ontstekingsregulerende eigenschappen van transport eiwitten worden aangepakt om zo de ontstekingsprocessen tijdens MS onder controle te houden of zelfs te voorkomen.

Samenvatting proefschrift Gijs Kooij

Multiple sclerose (MS) is een chronische ontstekingsziekte van het centraal zenuwstelsel (CZS)gekenmerkt door ernstige beschadigingen aan de beschermlaag (myelineVetachtige, witte stof die in de vorm van de zogenaamde myelineschede de zenuwvezels isolerend omhult. De myeline draagt bij tot een efficiënte zenuwgeleiding; bij myelinebeschadiging, zoals bij MS, loopt de zenuwgeleiding mank of is ze zelfs afwezig. Dit kan leiden tot diverse symptomen. Meer...) om de zenuwen. De beschadigingen aan het myeline worden veroorzaakt door cellen van ons eigen immuunsysteem, de zogenoemde witte bloedcellen, die massaal het CZS binnentreden en ontstekingshaarden (laesies) vormen. Om het CZS binnen te komen moeten de witte bloedcellen de speciale bloedvatwand van de hersenen passeren, de bloed-hersen barrière (BHB). Dit is normaal gesproken een goed beschermende bloedvatwand in vergelijking met andere bloedvaten in de rest van het lichaam, om zodoende de hersenen optimaal te kunnen beveiligen tegen schadelijke moleculen en/of cellen uit het bloed. De BHB wordt gevormd door hersenendotheelcellen die de bloedvatwand bekleden, en deze cellen zijn onderling verbonden met tight junction (TJ) eiwitten die fungeren als een soort ‘ritssluiting’ tussen de endotheelcellen en zo een ondoorlaatbaar hekwerk vormen. Astrocyten zijn belangrijke steuncellen in de hersenen en zorgen voor de optimale functie van de BHB doordat zij met hun uitlopers contact maken met de hersenendotheelcellen en hierdoor de barrière in stand houden. Tussen de astrocyten en de endotheelcellen bevindt zich een netwerk van matrix eiwitten, die samen met de eerder genoemde cellen ervoor zorgen dat de BHB ondoorlaatbaar is voor bloedcomponenten en cellen en het CZS dus optimaal beveiligd is tegen potentiële gevaarlijke indringers.

Bij MS patiënten is de BHB beschadigd, waardoor witte bloedcellen het CZS binnen kunnen dringen en schade aan het hersenweefsel veroorzaken. Het doel van mijn proefschrift was om te bestuderen welke veranderingen er optreden in de BHB tijdens MS, om zo meer inzicht te krijgen in mechanismen die de BHB reguleren met uiteindelijk als doel het verlies van de BHB functie tegen te gaan en zo de ziekte te kunnen remmen. We hebben laten zien dat witte bloedcellen de doorlaatbaarheid van de BHB verhogen door tijdens de binding aan hersenendotheelcellen deze cellen te veranderen. Deze veranderingen vinden plaats doordat witte bloedcellen schadelijke moleculen uitscheiden (zuurstofradicalen) die toxisch zijn voor endotheelcellen en veranderingen tot stand brengen in deze cellen door middel van kleine signaaleiwitten (signaal-transductie).

Deze signaal-transductie gaat via verschillende eiwitten (Rho, P13 kinase en PKB) en zorgt ervoor dat het cytoskelet (eiwitten die zorgen voor de vorm van een cel) en de TJs dusdanig verstoord worden dat de BHB gemakkelijker te passeren is voor de witte bloedcellen. Ook hebben we laten zien dat wanneer de werking van deze signaal-transductie eiwitten geblokkeerd wordt, de zuurstofradicalen geen veranderingen meer teweeg brengen in het cytoskelet en de ijs, zodat de migratie van witte bloedcellen over de BHB sterk verminderd wordt.
Behalve zuurstofradicalen en signaal-transductie eiwitten kunnen er ook nog andere eiwitten een rol spelen tijdens het migratieproces van witte bloedcellen over de BHB.

Om dit verder uit te zoeken hebben we in detail gekeken naar het migratieproces van witte bloedcellen door hersenendotheelcellen met behulp van levende cel microscopie. Door gebruik te maken van deze techniek konden we specifiek kijken naar wat er met de Tj eiwitten gebeurd tijdens het migratieproces. We hebben laten zien dat witte bloedcellen voornamelijk dwars door deze Tj structuren migreren door deze ‘ritssluiting’ lokaal te openen. Ook ontdekten we een belangrijke rol voor matrix metalloproteinases (MMPs, ook wel knip-eiwitten genoemd) tijdens dit proces, doordat MMP-remmers ervoor zorgden dat witte bloedcellen niet meer door de endotheelcellen heen konden migreren en de Ij- eiwitten intact bleven.

Naast een fysieke barrière (d.m.v. Tj-eiwitten) is de BHB ook een transport barrière doordat de endotheelcellen meerdere transport eiwitten bevatten die de binnenkomst van voedingsstoffen voor de hersenen en uitscheiden van potentiële schadelijke stoffen reguleren. In de laatste hoofdstukken van mijn proefschrift heb ik me voornamelijk gericht op deze uitscheidende transport eiwitten met als hypothese dat een verstoring in hun expressie en/of functie kan leiden tot een ophoping van schadelijke stoffen in het CZS, wat vervolgens kan leiden tot ontstekingen in de hersenen, zoals we zien tijdens MS. In hoofdstuk 4 hebben we laten zien dat één van deze transport eiwitten (P-glycoproteïne, P-gp) verminderd tot expressie komt op de hersenendotheelcellen in verschillende MS laesies. Daarnaast hebben we in een diermodel voor MS laten zien dat naast de expressie ook de functie van P-gp sterk verminderd is tijdens de ziekte. De veroorzakers van het verlies van P-gp bleken wederom witte bloedcellen te zijn die door middel van binding aan de endotheelcellen ervoor zorgden dat signaal-transductie eiwitten (zoals NF-KB) specifiek de P-gp expressie en functie verstoorden. In hoofdstuk 5 hebben we in kaart gebracht wat er tijdens MS gebeurt met andere transport eiwitten zoals breast cancer resistance protein (BCRP) en verschillende multidrug resistance proteins (MRP eiwitten).

In tegenstelling tot P-gp vonden we geen verschillen in expressie van deze eiwitten op hersenendotheelcellen in MS laesies. Echter, andere celtypen die prominent aanwezig zijn in MS laesies zoals infiltrerende witte bloedcellen die het myeline opeten (schuimcellen) en geactiveerde astrocyten, vertoonden duidelijke verschillen in transporter expressie. Geactiveerde astrocyten staan erom bekend aan het ontstekingsproces bij te dragen door het uitscheiden van verschillende ontstekingsmoleculen. Daarnaast hebben we aangetoond dat zowel P-gp als MRP-1 bijdragen aan het uitscheiden van een belangrijk ontstekingsmolecuul, namelijk monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1) door geactiveerde astrocyten. Deze resultaten tonen aan dat transporter eiwitten onder pathologische omstandigheden ook een slechte invloed kunnen hebben op het ziekteproces.

Om dit laatste punt extra kracht bij te zetten, hebben we gekeken of het uitschakelen van één van de transport eiwitten (namelijk P-gp) een effect had op het ziekteverloop in een diermodel voor MS. Hiervoor hebben we gebruik gemaakt van genetischErfelijk, de erfelijkheid betreffend. Meer... gemodificeerde muizen die geen P-gp hebben (P-gp knock-out muizen), en deze muizen vertoonden inderdaad verminderde ziekteverschijnselen vergeleken met controle muizen. Vervolgens hebben we in kaart gebracht dat P-gp niet alleen op de BHB maar ook in de lymfeklieren een belangrijke rol speelt bij het initiëren van een ontstekingsproces. Speciale cellen die deze ontstekingsprocessen regelen, de zogenoemde dendritische cellenook wel dendrocyten (DC's) genoemd. DC's zijn immunologisch actieve witte bloedcellen die als starters van het immuunsysteem functioneren en dan ook wel "professionele antigeen-presenterende cellen" of APC's genoemd worden. Meer..., bleken ook P-gp nodig te hebben om witte bloedcellen dusdanig te activeren dat ze het CZS konden infiltreren en laesies konden vormen.

Conclusie

In dit proefschrift hebben we laten zien dat verschillende aspecten van de BHB, zoals de fysieke en de transport barrière sterk zijn aangedaan tijdens de ziekte MS. We hebben de onderliggende mechanismen in kaart gebracht die voor deze veranderingen zorgen. Vooral witte bloedcellen bleken de BHB te verstoren en daarom is het blokkeren van de interactie tussen witte bloedcellen en hersenendotheelcellen een belangrijke strategie om zo de ziekteverschijnselen van MS te remmen. Daarnaast hebben we in dit proefschrift nieuwe fysiologische functies beschrevenvan transport eiwitten door te laten zien dat deze eiwitten ook ontstekingsmoleculen kunnen transporteren en daarbij bijdragen aan het ziekteproces tijdens MS.

Proefschrift: Blood-brain barrier alterations in multiple sclerosisZiekelijke verharding van weefsel. Bij MS gaat het om de vorming van verspreide harde plekken in hersenen en ruggenmerg. Meer...
Promotor prof.dr.C.D.Dijkstra
Co-promotor dr. H.E.de Vries
Gefinancierd door Stichting MS Research