1,721,031 research outputs found
PDE4 gene inhibition - a novel approach to treat demyelinating disorders
No full textTo allow proper nervous system functioning, glia cells must structurally and
metabolically support electrical signal-conducting neurons. However, neurological
disorders such as MS, SCI, stroke, and CMT disease severely impact nervous
system functioning, leading to prominent disabilities. However, due to the limited
regenerative potential of neurons, combined with the destructive microenvironment upon nervous tissue damage, endogenous repair mechanisms are
limited in neurological disorders. Furthermore, despite recent progress being
made in the development of new treatment strategies, no effective or curative
treatment has been approved, capable of improving the patients quality of life.
Therefore, the main aim of this dissertation is to evaluate the therapeutic potential
of PDE4 subtype and isoform inhibition as a novel and more targeted approach to
treat demyelinating and neurodegenerative disorders, while circumventing typical
side effects seen upon on full PDE4 inhibition such as diarrhea, nausea and
vomiting.
In the chronic demyelinating disorder MS, immune cell infiltration and
subsequently neuroinflammation leads to focal demyelination and loss of
myelinating oligodendrocytes. Once the inflammation is resolved, newly formed
oligodendrocytes will regenerate myelin membranes, thereby remyelinating the
nude axons. At later stages in the disease, remyelination becomes insufficient and
less efficient, leading to prominent and persistent demyelination upon disease
progression. Current treatment strategies for MS mainly include antiinflammatory and immunosuppressive drugs. Unfortunately, even though
currently available drugs are becoming more effective for treating the initial
inflammatory phase of MS, disease progression cannot be halted, nor can repair
be induced. As such, there is an urgent need for alternative treatment strategies
capable of restoring the remyelination process, thereby inducing repair.
Modulating second messenger (cAMP and cGMP) signaling has previously been
demonstrated to control both inflammation and CNS repair. Therefore, in chapter
2, an overview is provided regarding the role of PDE inhibition in limiting
pathological inflammation and stimulating repair in MS. Subsequently, chapter 3
addresses the therapeutic potential of specifically PDE4B and PDE4D inhibition in
different (animal) models of MS. We demonstrated that the full PDE4 inhibitor
roflumilast supports neuro-regenerative responses and suppresses
neuroinflammation in both the cuprizone and EAE animal model of MS. Importantly, we segregated the myelination-promoting role of PDE4 inhibition
into a PDE4D-dependent process, while selective PDE4B inhibition accounted
for the anti-inflammatory effects. A major drawback in translating PDE4
inhibitors towards clinical applications are the predicted emetic side effects.
Importantly, we demonstrated that the subtype specific inhibitors A33 and
Gebr32a used in this dissertation, did not showed preclinical signs of emetic-like
behavior as determined via patch-clamp and the in vivo xylazine/ketamine
anesthesia test. Nevertheless, since the predicted emetic side effects are ascribed
to be related to PDE4D expression in the area postrema in the medulla oblongata,
we additionally determined the PDE4D isoform expression profile specifically in
neurons of the human area postrema. While short and super-short PDE4D
isoforms are hardly expressed in the neurons, these isoforms are highly expressed
in human OPCs isolated from human MS lesions. These findings render the (super)
short PDE4D isoforms an interesting target to safely enhance remyelination.
Since attenuating neuroinflammation and initiating CNS repair are not processes
limited and promising for the treatment of only MS, we further explored the
therapeutic potential of PDE4 subtype specific inhibitors in other
neurodegenerative disorders. Indeed, PDE4 inhibition has already yielded
promising results in the context of SCI research due to its broad effects on
different injury-related processes including neuroregeneration and
immunomodulation. However, as mentioned above, the translation of full PDE4
inhibitors remains limited due to the dose-limiting emetic side effects, leading to
poor tolerability in patients. Therefore, in chapter 4, we demonstrated that
especially PDE4D inhibition by means of Gebr32a improved functional
recovery after SCI. Comparable to the full PDE4 inhibitor roflumilast, Gebr32amediated PDE4D inhibition led to a reduced SCI lesion size, a reduced
demyelinated area, decreased neuronal apoptosis, increased 5-HT serotonergic
tract regeneration, and enhanced oligodendrocyte differentiation. Furthermore,
using in vitro primary mouse neuronal cultures and human iPSC-derived neuronal
precursor cell cultures, we demonstrated that the neuroprotective feature of
PDE4D subtype inhibition can, at least partially, be attributed to a direct neuronal
effect. Finally, using human iPSC-derived neurospheroids, we further
demonstrated neuroprotection in a 3D culture model, which was accompanied with increased neuronal differentiation, further supporting the use of the PDE4D
inhibitor Gebr32a for the treatment of SCI.
Using a proof-of-concept study, the anti-inflammatory potential of PDE4B
inhibition was further elucidated in chapter 5 in an animal model of ischemic
stroke. By prophylactically administering the PDE4B inhibitor A33, cerebellar
infarct size was significantly reduced 24 hours following experimental dMCAO
induced ischemic stroke. The reduced lesion size could be attributed to a
decreased neuroinflammation as a reduction in infiltrating neutrophils in the
ipsilateral hemisphere, and an increase in Arg1+ macrophages throughout the
brain was observed. Furthermore, the immunomodulatory properties of PDE4B
inhibition were highlighted in vitro since human neutrophil activation was
significantly reduced upon PDE4B inhibition as demonstrated in a luminol-based
ROS assay.
Finally, since demyelinating neurodegenerative disorders are not restricted to the
CNS, we further explored the potential of PDE4 subtype inhibition to treat
peripheral neuropathies. In the PNS, the myelin-producing glial support is
provided by Schwann cells. Besides their myelinating properties, Schwann cells
play a crucial role in nerve regeneration following PNS neuropathies as they
secrete neurotrophic factors supportive of nerve repair. Interestingly, up to now,
the direct effect of pan PDE4 inhibition or PDE4 subtype inhibition on Schwann
cells has not been elucidated. In chapter 6, we therefore demonstrated for the
first time that PDE4 inhibition, by means of roflumilast, promoted Schwann cell
differentiation into a myelinating phenotype in both 2D and 3D culture models.
Furthermore, roflumilast-treated Schwann cells promoted axonal outgrowth of
human iPSC-derived nociceptive neurons while simultaneously enhancing their
myelination capacity, thereby supporting the use of PDE4-inhibitor based
treatment strategies for the treatment of peripheral demyelinating neuropathies.
Finally, a hereditary peripheral neuropathy animal model for CMT1A disease was
used in chapter 7 to evaluate the therapeutic potential of the PDE4D subtype
inhibitor Gebr32a to stimulate peripheral remyelination. In line with the myelin
regenerative properties observed in CNS pathologies, Gebr32a significantly
enhanced sciatic nerve conduction in CMT1A animals, indicating improved
myelination. Additional motor functioning phenotyping demonstrated improved
motoric coordination, improved sensorimotor functions and increased grip strength upon Gebr32a treatment in CMT1A animals. Finally, post mortem
analysis confirmed a remyelination promoting effect of PDE4D inhibition by means
of Gebr32a in the sciatic nerve of these animals, indicating the potential of PDE4D
inhibition to functionally and molecularly enhance remyelination in the context of
CMT1A pathology.
Taken together, the development of new and improved remyelinating enhancing
and immunomodulatory therapies may prove beneficial for treating a wide range
of neurodegenerative and demyelinating disorders including MS, SCI, stroke,
peripheral nerve injury and CMT1A. In this dissertation, we provided an incentive
for further developing PDE4 subtype specific inhibitors as a novel and clinically
relevant drug-based strategy for treating both CNS and PNS related disorders.Zenuwcellen vertrouwen sterk op gliacellen om structurele en metabole steun te
voorzien voor optimale signaaloverdracht. Echter gaan neurologische
aandoeningen, zoals multiple sclerose (MS), een ruggenmergletsel, een beroerte
en de ziekte van Charcot Marie Tooth (CMT) de werking van het zenuwstelsel sterk
beïnvloeden, wat gaat leiden tot prominente beperkingen. De destructieve
cellulaire omgeving die voorkomt bij deze neurodegeneratieve ziektes, samen met
de niet-regeneratieve eigenschappen van zenuwcellen zelf, gaan het endogeen
herstel van het zenuwstelsel beperken. Ondanks de recente vooruitgang bij het
ontwikkelen van nieuwe behandelingsstrategieën voor deze neurodegeneratieve
ziektes, is er nog steeds geen effectieve of curatieve behandeling beschikbaar die
de levenskwaliteit van patiënten kan verbeteren. Het hoofddoel van de huidige
dissertatie is dan ook om het therapeutische potentieel van PDE4-subtype- en -
isovorminhibitie te evalueren als een nieuwe en gerichte aanpak om
demyeliniserende en neurodegeneratieve aandoeningen te behandelen.
De infiltratie van immuuncellen, en de daaropvolgende ontstekingsreactie leidt in
de chronische ziekte MS tot focale demyelinisatie en het verlies
van myeliniserende oligodendrocyten. In de ontstane letsels zullen echter wel
nieuw gevormde oligodendrocyten myelinemembranen regenereren, wat
vervolgens zal leiden tot een proces genaamd remyelinisatie. Tijdens de
progressie van de ziekte zal het remyelinisatieproces echter minder efficiënt en
onvoldoende worden, hetgeen zal leiden tot prominente en aanhoudende
demyelinisatie. Huidige behandelingsstrategieën voor MS omvatten voornamelijk
ontstekingsremmende en immuunonderdrukkende medicijnen. Helaas kunnen
zelfs de huidig beschikbare medicijnen de progressie van de ziekte niet afremmen,
noch herstel bewerkstelligen. Er is dus een nood aan nieuwe en verbeterde
ontstekingsremmende behandelingen die de ontstekingsreactie tijdens vroege
stadia van de ziekte verminderen, terwijl regeneratieve therapieën dringend nodig
zijn om het remyelinatieproces te herstellen en daarbij herstel te bewerkstelligen.
Modulatie van de “second messenger” signalisatiecascades (cAMP en cGMP) werd
reeds in het verleden aangetoond om zowel ontstekingsreacties als
herstelprocessen in het centrale zenuwstelsel te controleren. Daarom biedt
hoofdstuk 2 een overzicht van de rol van PDE-inhibitie bij het beperken van de
pathologische ontstekingsreacties en het stimuleren van herstelprocessen bij MS.
Vervolgens behandelt hoofdstuk 3 het therapeutische potentieel van specifieke PDE4B- en PDE4D-inhibitie in verschillende diermodellen van MS. Wij hebben
kunnen aantonen dat de volledige PDE4-remmer roflumilast zowel
neuroregeneratie ondersteunt als ontstekingsreacties onderdrukt in zowel het
cuprizone als EAE- diermodel voor MS. Belangrijk is dat we de myeliniserende rol
van PDE4-inhibitie hebben kunnen terugleiden tot een PDE4D-afhankelijk proces,
terwijl selectieve PDE4B-inhibitie verantwoordelijk was voor de anti-inflammatoire
effecten. Een groot nadeel bij het vertalen van PDE4-remmers naar een klinische
toepassing zijn echter de voorspelde emetische bijwerkingen (bijvoorbeeld
misselijkheid en overgeven). Daarom hebben wij vervolgens via patch-clamp
experimenten en de xylazine/ketamine anesthesie test in muizen aangetoond dat
de subtypespecifieke PDE4B- en PDE4D-remmers A33 en Gebr32a die gebruikt
werden in deze dissertatie geen preklinische tekenen vertonen van emetische
bijwerkingen. Aangezien de voorspelde emetische bijwerkingen worden
toegeschreven aan PDE4D-expressie in het area postrema in de hersenstam
hebben wij bijkomend het PDE4D-isovorm expressieprofiel specifiek in neuronen
van het menselijke area postrema bepaald. Terwijl korte en superkorte PDE4Disovormen nauwelijks tot expressie komen in neuronen, zijn deze isovormen zeer
aanwezig in humane oligodendrocytprecursorcellen (OPC’s) afkomstig uit MSletsels. Deze bevindingen maken de (super-)korte PDE4D-isovormen een
interessant doelwit om remyelinatie veilig te versterken in MS.
Aangezien het onderdrukken van ontstekingsreacties in het zenuwstelsel en het
initiëren van neuronaal herstel niet enkel kan toegepast worden voor voor de
behandeling van MS, hebben wij verder het therapeutisch potentieel van
specifieke PDE4-subtyperemmers onderzocht in andere neurodegeneratieve
aandoeningen. Vanwege zijn vele beschreven herstelinducerende en
ontstekingsremmende eigenschappen, heeft PDE4-inhibitie veelbelovende
resultaten opgeleverd in het onderzoek naar ruggenmergletsels. Maar zoals
hierboven vermeld, blijft de vertaling van volledige PDE4- remmers naar een
klinische toepassing beperkt vanwege zijn dosisafhankelijke emetische
bijwerkingen. In hoofdstuk 4 hebben we aangetoond dat vooral PDE4D-inhibitie
door middel van Gebr32a functioneel herstel na een ruggenmergletsel verbeterde.
Net als de volledige PDE4-remmer roflumilast leidde Gebr32a-gemedieerde
PDE4D-inhibitie tot een kleinere letselgrootte, een verminderde
gedemyeliniseerde regio, minder apoptotische neuronen, meer regeneratie van 5-HT serotonergische zenuwbundels en een verbeterde oligodendrocytdifferentiatie.
Verder hebben wij door middel van primaire muis celculturen en humane iPSCafgeleide neuronale precursorculturen aangetoond dat de neuroprotectieve
eigenschappen van PDE4D-subtype-inhibitie ten minste gedeeltelijk
toegeschreven kunnen worden aan een direct neuronaal effect. Tenslotte hebben
wij met behulp van humane iPSC-afgeleide neurosferen verder kunnen aantonen
dat PDE4D-subtype-inhibitie zorgt voor neuroprotectief effect in een 3D-model,
wat gepaard gaat met meer neuronale differentiatie, hetgeen verder het gebruik
van de PDE4D-specifieke remmer Gebr32a ondersteunt voor de behandeling van
een ruggenmergletsel.
Met een “proof-of-concept” studie in een diermodel voor ischemische beroerte
werd het anti-inflammatoire potentieel van PDE4B-subtype-inhibitie geëvalueerd
in hoofdstuk 5. Door de PDE4B-remmer A33 profylactisch toe te dienen, werd de
cerebellaire infarctgrootte significant gereduceerd na experimentele dMCAOgeïnduceerde ischemische beroerte. De vermindering in letselgrootte kon worden
toegeschreven aan een afname van de ontstekingsreactie, aangezien een afname
van de infiltratie van neutrofielen in de ipsilaterale hersenhelft en een toename
van M2-fenotype-achtige macrofagen in de hersenen werd waargenomen.
Bovendien werden de immunomodulerende eigenschappen van PDE4B-inhibitie
verder benadrukt in vitro, aangezien menselijke neutrofielactivatie significant
verminderde na PDE4B-inhibitie, zoals aangetoond met een luminol-gebaseerde
ROS-test.
Tenslotte, aangezien neurodegeneratieve en demyeliniserende ziektes niet enkel
voorkomen in het centrale zenuwstelsel, hebben we verder het potentieel van
PDE4- en PDE4-subtype-inhibitie onderzocht om perifere neuropathieën te
behandelen. In het perifere zenuwstelsel (PZS) bieden de myelineproducerende
Schwanncellen gliale ondersteunen aan de zenuwcellen. Maar naast hun
myeliniserende eigenschappen spelen Schwanncellen ook een cruciale rol bij
zenuwregeneratie bij PZS-neuropathieën door middel van de secretie van
neurotrofische factoren. Opvallend is dat, tot nu toe, de directe effecten van PDE4-
of PDE4-subtype-inhibitie bij Schwanncellen nog niet werden onderzocht. In
hoofdstuk 6 hebben we daarom voor het eerst aangetoond dat PDE4-inhibitie door
middel van roflumilast de differentiatie van Schwanncellen tot een myeliniserend
fenotype stimuleert in zowel 2D- als 3D-celcultuurmodellen. Bovendien bevorderen roflumilast behandelde Schwanncellen de axonale uitgroei van
humane iPSC-afgeleide nociceptieve neuronen terwijl ze simultaan hun
myeliniserende capaciteit verhoogden, hetgeen ondersteuning biedt voor het
gebruik van PDE4- remmers voor de behandeling van perifere neuropathieën.
Vervolgens, in hoofdstuk 7, werd een diermodel voor de erfelijke perifere
neuropathie CMT1A gebruikt om het therapeutische potentieel van de PDE4Dsubtyperemmer Gebr32a verder te evalueren. In lijn met de waargenomen
myelineregeneratieve eigenschappen in het centrale zenuwstelsel verhoogde
Gebr32a de zenuwgeleiding significant in een CMT1A-dieren, hetgeen wijst op een
functionele en verbeterde myelinisatie. Verdere karakterisering van motorische
functie toonde een verbeterde motorische coördinatie, grijpsterkte en
sensorimotorische functies aan. De post mortem analyse bevestigde het
remyelinisatiebevorderend effect van PDE4D-inhibitie in de nervus ischiadicus,
hetgeen het potentieel van PDE4D-remming aangeeft om functioneel en
moleculair herstel te bevorderen in kader van de CMT1A-pathologie.
Samengevat kan de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde
remyelinisatiebevorderende en immunomodulerende therapieën van groot belang
zijn voor de behandeling van een breed scala aan neurodegeneratieve en
demyeliniserende aandoeningen, waaronder MS, ruggenmergletsel, beroerte,
perifere zenuwbeschadiging en CMT1A. In deze dissertatie tonen we dan ook voor
het eerst aan dat PDE4-subtypes nieuwe en klinisch relevante doelwitten kunnen
zijn voor de verdere ontwikkeling van nieuwe therapieën bij de behandeling van
zowel centrale als perifere zenuwstelselaandoeningen
Novel insights in phosphodiesterase 4 subtype inhibition to target neuroinflammation and stimulate remyelination
No full textThe monoselective sphingosine-1-phosphate receptor-1 modulator ponesimod enhances remyelination in the cuprizone model of demyelination
No full textThe Monoselective Sphingosine-1-Phosphate Receptor-1 Modulator Ponesimod Enhances Remyelination in the Cuprizone Model of Demyelination
No full textBackground: Sphingosine-1-phosphate (S1P1) receptor modulators are used clinically to treat relapsing forms of multiple sclerosis (MS). Selective functional antagonism of the S1PR1 subtype by ponesimod prevents lymphocyte egression from lymph nodes, hence hampering neuroinflammation in MS. Recent findings suggest a potential additional role for ponesimod in the Central Nervous System (CNS) in the differentiation of oligodendrocyte precursor cells (OPC) into mature myelinating oligodendrocytes, and therefore potentially having some effects on remyelination
Ponesimod, mono-selective sphingosine-1-phosphate receptor 1 modulator enhances oligodendrocyte precursor cell differentiation
No full textMS, EW ad TV report no competing interest. MAT is an employee of Janssen and may own stock or stock options in Johnson & Johnson
The Monoselective Sphingosine-1-Phosphate Receptor-1 Modulator Ponesimod Enhances Remyelination in the Cuprizone Model of Demyelination
No full textBackground: Sphingosine-1-phosphate (S1P1) receptor modulators are used clinically to treat relapsing forms of multiple sclerosis (MS). Selective functional antagonism of the S1PR1 subtype by ponesimod prevents lymphocyte egression from lymph nodes, hence hampering neuroinflammation in MS. Recent findings suggest a potential additional role for ponesimod in the Central Nervous System (CNS) in the differentiation of oligodendrocyte precursor cells (OPC) into mature myelinating oligodendrocytes, and therefore potentially having some effects on remyelination
The monoselective sphingosine-1-phosphate receptor-1 modulator ponesimod enhances remyelination in the cuprizone model of demyelination
No full textThe Selective Sphingosine-1-Phosphate Receptor 1 (S1P1) Modulator Ponesimod Enhances Murine Oligodendrocyte Precursor Cell (OPC) Differentiation and Retains OPC Migration
No full textMethods: Reversible, blue light (BL) stimulated, optogenetic A1 protein expression plasmids, containing wild-type A1, tagged with both the optogene Cryptochrome 2 and mCherry, were trans-fected into HEK293T cells and a differentiated neuronal cell line and used to examine the effects of RNA oligo treatment on protein dynamics and downstream cellular pathway functions in real-time. Using this in vitro optogenetic paradigm of A1 dysfunction, we gathered evidence on how RNA oligo treatment affects A1 self-association clustering and downstream neuronal morphology and viability. Results: Imitating an acute environmental cell stress using a BL stimulus followed by a steady period of recovery, our data show that RNA oligo treatment significantly decreased the kinetics of cytoplasmic A1 cluster formation [half-maximal formation time (minutes): Oligo=100; no treatment (NT)=62] and significantly decreased the number of cells with A1 clustering (percent cells w/ A1 clusters: Oligo=33%; NT=50%). We found that RNA oligo treatment stabilized the structure of A1 upon binding (avg. protein denaturation temp.: Oligo=62°C; NT=61°C), and significantly increased the quantity of A1 clusters (avg. clusters/cell: Oligo=19 ; NT=5) and decreased their size (avg. cluster size (µm2): Oligo=0.31; NT=0.95). Finally, we show that neuron morphology and viability were perturbed with A1 cluster formation. Conclusions: Using an in vitro optogenetic approach, this study presents evidence that A1 clustering negatively affects neuronal morphology, and that RNA oligo treatment attenuates MS-associated A1 dysfunction, indicating that A1 protein dys-function perturbation may affect NDG in MS. Background: Sphingosine-1-phosphate receptor (S1PR) modu-lators are clinically applied to target relapse remitting multiple sclerosis (MS) and the early phase of progressive MS when inflammation still prevails. S1P1 receptor modulation (functional antagonism) is known to prevent lymphocytes egression from lymph nodes, hence hampering neuroinflammation in MS. Recent findings suggest a potential additional role for S1P1 receptor modulation in neuroprotection and remyelination. Objectives: As the Giα-coupled S1P1 is the most prominently expressed S1P receptor in oligodendrocyte precursor cells (OPCs), we hypothesized that functional antagonism by the S1P1-monoselective modulator ponesimod induces OPC differentiation. Methods: Primary mouse OPCs were harvested via the shake-off method and treated in vitro with the S1P1-selective modulator ponesimod (3nM-3000nM), the S1P5-selective modulator A971432 (3nM-3000nM) or a phosphorylated form of the non-selective modulator fingolimod (3000nM). Migration wa
A new player in the game: identification of C1ql1 as a novel factor driving OPC differentiation
No full textOligodendrocytes (OLGs) are the myelin-producing cells in the central nervous system (CNS). Following injury, these cells are prone to death, leading to demyelination and, eventually, axonal loss and neurodegeneration. Upon injury, the damaged CNS repopulates the lesion with oligodendrocyte precursor cells (OPCs) that consequently mature into OLGs to repair the myelin damage and prevent further axonal loss. In this issue, Altunay et al. identified that complement component 1, q subcomponent-like-1 (C1ql1), a factor known to play a role in neuron-neuron synapses, is also expressed by OPCs and drives their differentiation into OLGs. These data suggest that C1ql1 or other downstream factors could be therapeutic targets in the context of demyelinating disorders in which remyelination fails, such as in multiple sclerosis (MS).The authors are supported by grants from MS Liga Vlaanderen, Fondation Charcot Stichting Belgi€e, Stichting MS Research and Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO-Vlaanderen) to TV, MS, JVB, and FM
(G042121N, 1272324N, 1209123N, and 1SH2E24N)
Seas of Clarity: the role of European brown seaweed extracts in combination with rehabilitation exercise in enhancing cognitive function in progressive MS
No full text- …
