Titelaufnahme

Titel
Identification of immune cell types as targets for pharmacological therapy in x-linked Adrenoleukodystrophy / submitted by Dorothea Weber
VerfasserWeber, Franziska Dorothea
Begutachter / BegutachterinBerger, Johannes
Erschienen2014
Umfang89 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2014
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Immunzellen / X-chromosomale Adrenoleukodystrophy / Monozyten / Makrophagen / peroxisomale ABC Transporter / ABCD2 / Peroxisomen
Schlagwörter (EN)immune cells / X-linked adrenoleukodystrophy / monocytes / macrophages / peroxisomal ABC transporter / ABCD2 / peroxisomes
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-2920 Persistent Identifier (URN)
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Identification of immune cell types as targets for pharmacological therapy in x-linked Adrenoleukodystrophy [6.91 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die X-chromosmale Adrenoleukodystrophie (X-ALD) ist die häufigste peroxisomale Erkrankung. Sie ist mit einer fatalen Demyelinisierung und Degeneration des zentralen Nervensystems assoziiert. Mutationen im ABCD1-Gen sind verantwortlich für die klinisch heterogenen Varianten von X-ALD. Es gibt drei peroxisomale ABC (ATP-binding cassette)-Transporter mit verschiedenen Substratspezifitäten. Das ABCD1-Protein transportiert CoA-konjugierte überlangkettige Fettsäuren (ÜLFS) zum Abbau durch die -Oxidation in das Peroxisom. Demnach ist der ÜLFS-Metabolismus von X-ALD-Patienten beeinträchtigt, was zur Akkumulation von ÜLFS führt. Bei der schwersten Form leiden X-ALD-Patienten an einer entzündlichen Demyelinisierung des Gehirns, die derzeit nur durch frühe allogene hämatopoetische Stammzelltransplantation (HSZT) aufzuhalten ist. Experimente in vitro und in vivo zeigten, dass die Überexpression des redundanten ABCD2-Gens den Stoffwechseldefekt in X-ALD ausgleichen kann. Daher stellt die pharmakologische Induktion des ABCD2-Gens eine attraktive Therapiestrategie dar.

Der Grund für den therapeutischen Erfolg von HSZT in X-ALD ist bisher unbekannt. Wir charakterisierten die Hauptimmunzellgruppen von X-ALD-Patienten und Kontrollen in Hinblick auf das mRNA-Expressionsmuster der drei peroxisomalen ABC-Transporter, auf die peroxisomale -Oxidationsaktivität und auf die ÜLFS-Akkumulation.

In den Kontrollen war die ABCD1-mRNA-Expression hoch in Monozyten, mittel in B-Zellen und niedrig in T-Zellen; umgekehrt war die ABCD2-mRNA-Expression extrem niedrig in Monozyten, mittel in B-Zellen und hoch in T-Zellen; ABCD3-mRNA wurde gleichmäßig exprimiert. In X-ALD-Patienten war das Expressionsmuster der drei Transporter unverändert. Monozyten zeigten die schwerste biochemische Beeinträchtigung. Ihre peroxisomale -Oxidationsaktivität war um 70% reduziert und C26:0 (ÜLFS) akkumulierte sechsfach. Im Gegensatz dazu war der metabolische Defekt in T-Zellen von X-ALD-Patienten geringfügig und in B-Zellen gar nicht vorhanden. Unsere Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass eine ausreichende Expression von ABCD2 den Mangel an ABCD1 ausgleichen kann. Wir gehen davon aus, dass die Wirksamkeit der HSZT in X-ALD vor allem auf dem Austausch der Monozyten/Makrophagen beruht und dass eine Induktion von ABCD2 in diesen Zellen eine attraktive Therapieoption darstellt.

Weiterhin untersuchten wir das Potential therapeutisch angewendeter Substanzen ABCD2 in Monozyten/Makrophagen zu induzieren. In der monozytären Zelllinie THP-1 zeigte Valproinsäure, ein Histon-Deacetylase-Hemmer, eine effiziente Induktion der ABCD2-mRNA.

Valproinsäure wird zur Behandlung von Epilepsie verwendet. Wir isolierten Monozyten und Lymphozyten aus peripherem Blut von Epilepsiepatienten, die Valproinsäure als Dauertherapie einnahmen. Die Behandlung beeinflusste in keinem Zelltyp die ABCD2-Expression im Vergleich zu unbehandelten Probanden.

In THP-1-Zellen induzierte 13-cis-Retinsäure konzentrationsabhängig die ABCD2-Expression. In Aknepatienten, die 13-cis-Retinsäure als Standardtherapie über mindestens sechs Monaten einnahmen, blieb die ABCD2-Expression in Monozyten und Lymphozyten unverändert. Ergänzend wurden primäre Monozyten in vitro zu Makrophagen differenziert und mit 13-cis-Retinsäure behandelt, was in einer konzentrationsabhängigen Induktion der ABCD2-mRNA resultierte. Dies deutet auf eine veränderte Zugänglichkeit des ABCD2-Promoters durch die Makrophagenreifung hin.

Allerdings ist das geringe Ausmaß der ABCD2-Induktion durch Retinoide allein vermutlich nicht von therapeutischer Bedeutung für X-ALD. Dennoch zeigen unsere Ergebnisse, dass im Gegensatz zur Situation in Monozyten ABCD2 in Makrophagen induzierbar ist.

Diese Doktorarbeit trug dazu bei, die Wirkungsweise von HSZT besser zu verstehen und identifizierte Monozyten/Makrophagen als Zielzelle für eine zukünftige pharmakologische Therapie bei X-ALD.

Zusammenfassung (Englisch)

X-linked adrenoleukodystrophy (X-ALD), the most frequent peroxisomal disorder, is associated with fatal demyelination and neurodegeneration of the central nervous system. Mutations in the ABCD1 gene are responsible for the heterogeneous clinical phenotypes of X-ALD.

The ABCD1 protein, one of three ATP-binding cassette, sub-family D (ABCD) members in the peroxisomal membrane, normally transports CoA-activated very long-chain fatty acids (VLCFA) into the peroxisome for their degradation via -oxidation. Thus, in X-ALD patients, the metabolism of VLCFA is impaired resulting in their accumulation. The severest variant of X-ALD manifests as a rapidly progressive, inflammatory cerebral demyelination, which can only be cured at an early state of inflammation by hematopoietic stem cell transplantation (HSCT).

In vitro and in vivo experiments revealed that overexpression of the redundant gene ABCD2 can remedy the metabolic defect in X-ALD.

Therefore, pharmacological induction of ABCD2 could represent an attractive therapeutic strategy.

The beneficial mode of action of HSCT in X-ALD is still unknown. Here, we characterized the main immune cell types, concerning their mRNA expression patterns of the three peroxisomal ABC transporters, the peroxisomal -oxidation capacity and VLCFA accumulation. In healthy subjects, ABCD1 mRNA levels were high in monocytes, medium in B cells and low in T cells; inversely, ABCD2 mRNA levels were extremely low in monocytes, medium in B cells and high in T cells, while ABCD3 mRNA was uniformly expressed. In X-ALD patients, expression profiles of the three transporters were unchanged. Consequently, monocytes, in which the compensatory ABCD2 transporter is missing, showed the most severe biochemical impairment with a 70% reduction of peroxisomal -oxidation activity and a sixfold accumulation of the VLCFA C26:0. In contrast, the metabolic defect was modest in T cells and not detectable in B cells of X-ALD patients. Our findings support the hypothesis that sufficient expression of ABCD2 can compensate for the ABCD1 deficiency. Therefore, we suggest that the beneficial effect of HSCT in X-ALD is mainly due to a replacement of monocytes/macrophages, and that pharmacological induction of ABCD2 in this cell lineage could represent an alternative treatment.

Next, candidate compounds were investigated for the induction of ABCD2 in the monocyte/macrophage lineage. In the monocytic cell line THP-1, the histone deacetylase inhibitor valproic acid had been shown to efficiently induce ABCD2 mRNA. Valproic acid is in clinical use for treatment of epilepsy. Therefore, we isolated monocytes and lymphocytes from peripheral blood of epileptic patients receiving oral valproic acid. However, the treatment had no effect on the ABCD2 mRNA levels in these cell types compared with untreated subjects. In THP-1 cells, increasing concentrations of 13-cis retinoid acid potently induced ABCD2. In acne patients, receiving 13-cis-retinoic acid orally as a standard therapy for a period of up to six months, the ABCD2 mRNA levels in monocytes and lymphocytes remained at pre-treatment levels. However, in macrophages, derived from in vitro differentiation of primary monocytes and treated with 13-cis-retinoic acid, a concentration-dependent induction of ABCD2 mRNA was obtained, suggesting that the access to the ABCD2 promoter was altered during macrophage differentiation. Nonetheless, the extent of induction is probably not sufficient for therapeutic utility in X-ALD patients. These results indicate that in contrast to its silenced state in monocytes, the ABCD2 gene is inducible in macrophages.

Overall, this thesis contributed to shed light on the mode of action of existing therapies (HSCT) and identified monocytes/macrophages as targets for a future pharmacological therapy in X-ALD.