 |
The role of microglia in central and systemic inflammation after cerebral ischemia
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
109743 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Dénes, Ádám |
| Title in Hungarian |
A mikroglia szerepe a cerebrális iszkémia centrális és szisztémás gyulladásos folyamataiban |
| Title in English |
The role of microglia in central and systemic inflammation after cerebral ischemia |
| Keywords in Hungarian |
stroke, iszkémia, mikroglia, interleukin-1, gyulladás, szisztémás |
| Keywords in English |
stroke, ischemia, microglia, interleukin-1, inflammation, systemic |
| Discipline |
| Biological basis of diseases related to the above (Council of Medical and Biological Sciences) | 60 % | | Biological basis of neurological and psychiatric disorders (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Neurobiology | | Cardiovascular system (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Physiology, Pathophysiology, Pharmacology and Endocrinology |
| Department or equivalent |
Laboratory of Molecular Neuroendocrinology (Institute of Experimental Medicine) |
| Participants |
Ferenczi, Szilamér
Környei, Zsuzsanna
Kovács, Krisztina
Lénárt, Nikolett
Martinecz, Bernadett
Mikics, Éva
Pintér-Kübler, Bernadett
Polyák, Ágnes
Rózsa, Balázs
Sipos, Máté
Szalay, Gergely
|
| Starting date |
2013-09-01 |
| Closing date |
2017-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
42.245 |
| FTE (full time equivalent) |
10.53 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A stroke az egyik fő halálozási ok világszerte és vezető közreműködő a tartós rokkantság kialakulásában. Bár számos vizsgálat próbálta feltárni a stroke során kialakuló idegi károsodás mechanizmusait, az eredmények klinikai hasznosítása eddig sikertelen volt. A közelmúltban kutatásaink és mások vizsgálatai révén világossá vált, hogy a centrális és szisztémás gyulladásos folyamatok kiemelt szerepet játszanak az stroke patofiziológiájában, melyek szerepét korábban figyelmen kívül hagyták. Igazoltuk, hogy a stroke fő kockázati faktorainak közös jellemzője a szisztémás gyulladás, és a proinflammatorikus folyamatok gátlása képes a neuronális károsodást nagymértékben csökkenteni a cerebrális iszkémia kísérletes modelljeiben. Az egyik fő gyulladásos mediátor az interleukin-1 (IL-1), melynek gátlása a stroke-ot követő 3-6 órán belül eredményes, de a hatás pontos helye és celluláris mechanizmusai nem ismertek. A közelmúltig a mikrogliát tartották az agyi gyulladás fő okozójának, melynek IL-1 termelése akut agyi sérülés után megnő. Ugyanakkor, a mikroglia funkcionális szerepe nem tisztázott, ellentmondásos. Tervezett vizsgálataink során egyedülálló képalkotó technológiák használatával és a mikrogliális aktivitás modulálásán, illetve szelektív mikroglia depléción alapuló módszerek segítségével szeretnénk feltárni, milyen szerepe van a mikrogliának a stroke során közreműködő korai gyulladásos folyamatokban, az IL-1-mediálta neurotoxicitásban, és hogyan közvetíti a mikroglia a szisztémás gyulladás agyi hatásait. Célunk, hogy átfogó képet kapjunk a mikroglia szerepéről a neuroprotekció számára kritikus időablakban, és így új, célzott terápiás módszereket fejlesszünk.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás fő kérdése, hogyan működik közre a mikroglia a stroke során kialakuló akut gyulladásban, vér-agy-gát sérülésben, oxidatív stresszben és agyi károsodásban, ami segítheti célzott terápiás módszerek kifejlesztését a stroke és egyéb idegrendszeri betegségek esetén. Jelenleg számos ellentmondásos adat áll rendelkezésre a mikroglia stroke-ban betöltött szerepét illetően, de megfelelő módszerek hiányában eddig nem volt lehetséges a mikroglia akut, funkcionális szerepének célzott és átfogó vizsgálata. A korábbi kutatások a mikroglia gátlását tűzték ki primer célul. Saját és mások által végzett vizsgálatok viszont azt mutatják, hogy a mikroglia megfelelő polarizációjának elősegítése lenne kívánatos. Csontvelő transzplantációval és egyéb módszerek segítségével igazoltuk, hogy az IL-1 neurotoxikus hatásaiért részben nem centrális, mikroglia-mediálta folyamatok felelősek. Nem tudni ugyanakkor, hogy a szisztémás gyulladás hatásainak közvetítésében milyen szerepet játszik a mikroglia és a mikroglia által termelt IL-1. Az intézetünkben szabadalmaztatott háromdimenziós két foton mikroszkóp és új műtéti eljárások segítségével, nagy sebességgel és nagy szöveti térfogatban tudjuk vizsgálni a mikroglia-mediálta gyulladást in vivo, a cerebrális iszkémia minden fázisában, ugyanabban az állatban. Felmérjük, hogyan vesz részt a mikroglia az oxidatív stressz és vér-agy-gát sérülés folyamataiban, a neuronális aktivitás és perfúzió függvényében. A mikroglia funkcionális szerepét a stroke során szelektív, transzgénikus alapú mikroglia deplécióval vizsgáljuk, és feltárjuk, milyen hatással van a mikroglia akut agysérülésben betöltött szerepére a szervezetben kialakuló szisztémás gyulladás.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A centrális és szisztémás gyulladásos folyamatok jobb megértése nélkül a sérült idegi elemek védelme és regenerációja nem képzelhető el, amit a neuroprotekciót célzó klinikai vizsgálatok eredménytelensége is jól mutat. Jelenleg sem a mikroglia szerepe, sem az nem tisztázott, szükséges-e a proinflammatorikus mediátorok agyi gátlása, azaz célzott, vég-agy-gát permeabilitást igénylő terápiás eljárások kifejlesztése. Kísérleteink megmutathatják: (i) a mikrogliális funkció, neuronális aktivitás és perfúzió összefüggéseit az iszkémia alatt és a reperfúzió során (ii) a mikroglia szerepét az oxidatív stressz, vér-agy-gát sérülés kialakulásában és leukociták agyi penetrációjának korlátozásában, abban a kritikus intervallumban (0-8 óra), amikor terápiás beavatkozásra van érdemi lehetőség (iii) mikroglia szerepét az IL-1-mediálta neurotoxicitás folyamataiban. (iv) szisztémás gyulladás mikrogliára gyakorolt szerepét, ami a stroke-on átesett betegek többségénél releváns. A Jelenlegi egyetlen terápiás módszer, az agyi perfúzió részleges visszaállítására alkalmazott plazminogén aktivátor (tPA) kezelés csak a stroke betegek kis számára elérhető és hatásfokát a szisztémás gyulladásos komplikációk nagymértékben rontják. Ha bizonyítást nyer, hogy mikrogliális IL-1 blokkolása előnyös, akkor szelektív terápiás módszerek fejleszthetők ki a mikroglia eredetű proinflammatorikus folyamatok gátlására. A részben eredményeink alapján jelenleg klinikai kipróbálás alatt álló IL-1 receptor antagonista (IL-1Ra) fontos terápiás mérföldkő lehet, de drága, féléletideje rövid, agyi penetrációja limitált, valamint hatásának pontos helye sem ismert. Ha bizonyítást nyer, hogy a mikroglia termelte IL-1 blokkolása nem szükséges és a mikroglia elsősorban protektív fenotípusú, akkor a mikroglia gátlását célzó terápiák károsak lehetnek. Ebben az esetben a mikroglia polarizációjának megfelelő „finomhangolása” pontosabb terápiás alkalmazások kifejlesztését teheti lehetővé, stroke-ban és más idegrendszeri betegségekben, ahol a gyulladásos folyamatok szerepe egyre jobban elismert. Vizsgálataink számos új eredményt hozhatnak, amelyek a stroke, az agyi gyulladás és mikrogliális működés jobb megértését segítik elő.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A stroke az egyik legfőbb halálozási ok világszerte és vezető közreműködő a tartós rokkantság kialakulásában. A betegség nem csak a stroke-ot elszenvedő betegekre, de hozzátartozóikra és az egészségügyi ellátó rendszerekre is hatalmas terhet jelent. Ezen felül, a stroke okozta anyagi teher is hatalmas: Az Európai Unióban a stroke évente 27 milliárd Euro-ba kerül. Jelenleg sajnos nem léteznek hatékony terápiás eljárások a stroke kezelésére, az alkalmazott terápiák (például az agyi keringés visszaállítása), csak a betegek kis százalékában eredményes. A közelmúltban világossá vált, hogy a sikertelen klinikai vizsgálatok egyik kulcsfontosságú eleme az volt, hogy a krónikus gyulladás szerepét –ami a stroke betegekben fokozottan jelentkezik – nem vették figyelembe. A gyulladásos folyamatok gátlása kísérleti állatokban terápiásan hatékony, de az agyi gyulladásban kiemelten fontos mikroglia sejtek szerepe a stroke során nem tisztázott. A korábbi vizsgálatok főleg gátolni próbálták ezeket a sejteket, de számos adat van arra nézve is, hogy fontos szerepük lehet az agyi károsodás elleni védekezésben. Kutatásaink új képalkotó eljárások és műtéti technikák segítségével arra kívánnak választ adni, milyen szerepe van a mikrogliának az agyi gyulladás kialakulásában és hogyan közvetítik ezek a sejtek a szervezetben kialakuló gyulladás agyi hatásait. A rendelkezésünkre álló technológiával nyomon tudjuk követni a mikroglia mozgását az agyban, és szelektív gátlásukkal vizsgáljuk közreműködésüket az idegi károsodás kialakulásában. Kutatásaink sikere új, célzott terápiás eljárások kifejlesztését segítheti elő, idegrendszeri betegségek kezelésére.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Stroke is one of the main causes of death and the leading cause of lasting disability worldwide. In spite of the considerable research effort on mechanisms of neuronal injury, translation of research findings to clinical applications in stroke has been insufficient to date. We and others have reported that both central and systemic inflammation plays a crucial role in stroke pathophysiology, which has been largely ignored in earlier animal studies. Systemic inflammation is a common feature of most comorbidities in stroke and blockade of proinflammatory mechanisms can profoundly reduce brain injury in experimental models of cerebral ischaemia. One key mediator of neuroinflammation is interleukin-1 (IL-1). Blockade of IL-1 actions reduces brain injury within 3-6 hours after the onset of ischaemia, but the place of action and cellular mechanisms are largely unclear. IL-1 expression in microglia increases rapidly after acute brain injury, and until recently, microglia has been considered as the main driver of inflammation-induced injury in the brain. However, the functional role of microglia in stroke is unclear, and current data are controversial. We plan to investigate the functional role of microglia in early inflammatory changes and IL-1-mediated neurotoxicity after stroke, using uniqe in vivo imaging techniques, modulation of microglial activity and selective microglial depletion. We will also assess the contribution of microglia to central effects of systemic inflammation, with the overall aim to understand the role of microglia in inflammatory responses during cerebral ischaemia, in order to develop better therapeutic tools.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The main aim for this study is to reveal the contribution of microglia to inflammation, blood brain barrier (BBB) injury, oxidative stress and brain injury, which could facilitate the development of targeted therapies in stroke and in other brain diseases. Current data regarding the role of microglia in brain injury are controversial, which has been largely due to the lack of appropriate methods to comprehensively investigate and selectively target microglia, until recently. Previous studies mostly aimed at inhibiting microglial activation, but recent studies by us and others indicate that modulation of microglial activity and polarisation would be more appropriate. Our preliminary studies using bone marrow transplantation and other methods indicate that IL-1-induced neurotoxicity is partially not mediated by central, microglial actions, however, it is unclear how microglia and microglial IL-1 production contribute to systemic inflammation-mediated brain injury. Combining the new, three-dimensional random-access scanning two photon microscope patented in our institute with novel surgical methods, we are able to investigate microglia-mediated inflammation during all phases of ischemia in vivo, with high speed and in large tissue volumes, in the same animal. We will assess how microglia contributes to BBB injury, oxidative stress in correlation with changes in neuronal activity and perfusion. Functional role of microglia and its alterations by systemic inflammation will be evaluated using modulation of microglial activity and transgenic-based selective microglia depletion methods.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Protection and repair of injured neurons is not possible without deeper understanding of central and systemic inflammatory processes, which is also demonstrated by the failure of clinical trials aiming for neuroprotection in stroke. It is currently unclear, whether (and if so, how) blockade of microglial actions and central proinflammatory events is needed, which would require the development of targeted therapeutic tools crossing the blood brain barrier (BBB). Our research could contribute to understanding (i) interactions among microglial inflammatory function, perfusion, and neuronal activity during ischemia and after reperfusion (ii) the role of microglia in oxidative stress, BBB injury, and leukocyte recruitment after cerebral ischemia in the critical time-window (0-8h) when therapeutic interventions are possible (iii) role of microglia in IL-1-mediated neurotoxicity (iv) the role of microglia in mediating central effects of systemic inflammation, which is relevant for most stroke patients. Currently, the sole licensed therapy in stroke is to restore perfusion of occluded arteries by treatment with plasminogen activator (tPA), which is only available for the minority of patients and treatment effectiveness is largely compromised by systemic inflammation. If blocking microglia (microglial IL-1) would be therapeutically beneficial, selective therapeutic tools could be developed to inhibit microglial proinflammatory actions. Currently (in part based on our results), IL-1 receptor antagonist (IL-1Ra) is under clinical trial in acute brain injury, but it is expensive, its brain penetration is limited and the place(s) of its actions are unclear. If it turns out that microglial IL-1 is not key to brain injury and microglia is primarily protective in stroke, blocking microglial actions could be harmful. In this case, fine tuning of microglial polarisation could have therapeutic benefits in stroke and in other brain diseases in which the role of inflammation is increasingly recognised. Collectively, our studies could contribute to better understanding of microglial inflammatory function, brain inflammation, and mechanisms of brain injury.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Stroke is one of the main causes of death and the leading cause of lasting disability worldwide. The disease has major impact not only on stroke patients, but on their families, and the health systems as well, with an annual cost of 27 billion euros in the European Union. Currently there are no effective treatments for stroke. The sole licenced therapy (restoration of blood flow in the brain) is available for only a few percent of stroke patients. Recently it has been suggested that one of the possible reasons for the failure of clinical trials in stoke was that the role of chronic inflammation - which is present in most stroke patients – has not been considered. Blockade of inflammatory processes is beneficial in experimental stroke models, but the role of microglia (main inflammatory cells in the brain) in stroke, is unclear. Previous studies mostly aimed to inhibit microglial actions, but recent data indicate that these cells could also play protective roles in brain injury. Our research aims to reveal the role of microglia in brain inflammation and injury, and the role of microglia in mediating the effects of chronic inflammation in the brain, by using novel imaging techniques and surgical methods. We are able to monitor microglial movement „real time” in the brain, and selective blockade of these cells enables investigation of contribution of microglia to neuronal injury. Our research could facilitate the development of new, targeted therapies in brain diseases.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Ágnes Polyák, Szilamér Ferenczi, Ádám Dénes, Zsuzsanna Winkler, Rókus Kriszt, Bernadett Pintér-Kübler, Krisztina J. Kovács: The fractalkine/Cx3CR1 system is implicated in the development of metabolic visceral adipose tissue inflammation in obesity, Brain, Behavior, and Immunity Volume 38, May 2014, Pages 25–35, 2014 | | Dénes Á, Pradillo JM, Drake C, Sharp A, Warn P, Murray KN, Rohit B, Dockrell DH, Chamberlain J, Casbolt H, Francis S, Martinecz B, Nieswandt B, Rothwell NJ, Allan SM: Streptococcus pneumoniae worsens cerebral ischemia via interleukin 1 and platelet glycoprotein Ibα, Ann Neurol. 2014 May;75(5):670-83. doi: 10.1002/ana.24146. Epub 2014 Apr 14, 2014 | | Denes A*, Coutts G, Lénárt N, Cruickshank SM, Pelegrin P, Skinner J, Rothwell N, Allan SM, Brough D: AIM2 and NLRC4 inflammasomes contribute with ASC to acute brain injury independently of NLRP3, Proc Natl Acad Sci U S A, 2015 Mar 31;112(13):4050-5. doi: 10.1073/pnas.1419090112, 2015 | | Szigeti K, Horváth I, Veres DS, Martinecz B, Lénárt N, Kovács N, Bakcsa E, Márta A, Semjéni M, Máthé D, Dénes Á*: A novel SPECT-based approach reveals early mechanisms of central and peripheral inflammation after cerebral ischemia., J Cereb Blood Flow Metab. 2015 Jul 29. doi: 10.1038/jcbfm.2015.174, 2015 | | Smith CJ, Denes A, Tyrrell PJ, Di Napoli M: Phase II anti-inflammatory and immune-modulating drugs for acute ischaemic stroke, Expert Opin Investig Drugs, 2015 | | Lénárt N, Brough D, Dénes Á: Inflammasomes link vascular disease with neuroinflammation and brain disorders, J Cereb Blood Flow Metab, 2016 | | Houlden A, Goldrick M, Brough D, Vizi ES, Lénárt N, Martinecz B, Roberts IS, Denes A: Brain injury induces specific changes in the caecal microbiota of mice via altered autonomic activity and mucoprotein production, Brain Behav Immun, 2016 | | Szalay G, Martinecz B, Lénárt N, Környei Z, Orsolits B, Judák L, Császár E, Fekete R, West BL, Katona G, Rózsa B, Dénes Á: Microglia protect against brain injury and their selective elimination dysregulates neuronal network activity after stroke, Nat Commun, 2016 | | Houlden A, Goldrick M, Brough D, Vizi ES, Lénárt N, Martinecz B, Roberts IS, Denes A: Brain injury induces specific changes in the caecal microbiota of mice via altered autonomic activity and mucoprotein production, Brain Behav Immun, 2016 | | Szalay G, Martinecz B, Lénárt N, Környei Z, Orsolits B, Judák L, Császár E, Fekete R, West BL, Katona G, Rózsa B, Dénes Á: Microglia protect against brain injury and their selective elimination dysregulates neuronal network activity after stroke, Nat Commun, 2016 | | Bekő K, Koványi B, Gölöncsér F, Horváth G, Dénes Á, Környei Z, Botz B, Helyes Z, Müller CE, Sperlágh B: Contribution of platelet P2Y12 receptors to chronic Complete Freund's adjuvant-induced inflammatory pain., J Thromb Haemost. 2017 Jun;15(6):1223-1235. doi: 10.1111/jth., 2017 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
