Einfluss der CEACAM1-Expression auf Geweberegeneration nach ischämischem Schlaganfall in der Maus
Final Report Abstract
In diesem Projekt konnte ein kausaler und funktioneller Zusammenhang zwischen der Expression des zellulären Adhäsionsmoleküls CEACAM1 und dem Schweregrad des ischämischen Schlaganfalls nach temporärer Okklusion der mittleren Zerebralarterie im Mausmodell aufgeklärt werden. In dem vorliegenden Projekt konnte zum ersten Mal eine schützende Funktion der CEACAM1-Expression im Zusammenhang mit dem Blut-Hirn-Schrankenzusammenbruch nach ischämischem Schlaganfall im lebenden Organismus belegt werden. CEACAM1 ist ein Mitglied der Immunglobulinsuperfamilie, welches auf Endothelien, Leukozyten und Epithelzellen exprimiert ist. In Entzündungsreaktionen und Zellaktivierung, aber auch während der malignen Entartung, ist die Expression von CEACAM1 dereguliert. Bei der zellulären Aktivierung ist CEACAM1 herauf reguliert. Die Expression von CEACAM1 auf Endothelien und seine de novo Expression auf humanen, neu gebildeten Gefäßen in der Plazenta oder Granulomgewebe und Tumorgewebe führte zu der Hypothesenbildung, dass CEACAM1 selbst ein angiogener die Angiogenese und das Gewebewachstum und die Geweberegeneration fördert. CEACAM1 ist sowohl auf murinen als auch humanen zerebralen Mikrogefäßen exprimiert. Darüber hinaus wird CEACAM1 nach Aktivierung stark auf myeloischen Zellen herauf reguliert, sobald Stimuli wie bakterielle Infektionen und auch sterile Entzündungen vorhanden sind. Myeloische und endotheliale Zellen, die kein CEACAM1 exprimieren, wie in CEACAM1-knockout Mäusen, weisen i.d.R. eine Hyperresponsivität gegenüber aktivierenden Stimuli auf, da CEACAM1 über einen zytoplasmatischen Anker verfügt, der ein ITIM (immunoreceptor tyrosine-based inhibition motif) enthält und durch Interaktion mit intrazellulären Phosphatasen (z.B. SHP-1, SHP-2) der Aktivierung von Rezeptortyrosinkinasen (Insulinrezeptor, EGF-Rezeptor) oder dem Toll-like receptor 4 (TLR4) entgegenwirkt. In dem vorliegenden Projekt wurde das Mausmodell der transienten Okklusion der cerebralen Mittelarterie (tMCAO) in CEACAM1-knockout-Mäusen und Wildtyp Kontrollen angewendet. Der Verlauf der Schlaganfallerkrankung wurde mittels 7T MRI dargestellt, die Schlaganfallareale wurden post mortem auf ihre Größe und zelluläre Zusammensetzung (Leukozyteninflitration) in der Histologie, Durchflusszytometrie und in funktionellen Zellassays untersucht. Der Blut-Hirn-Schrankenzusammenbruch bzw. die Gefäßdurchlässigkeit und Ödembildung wurde durch Injektion und vaskuläre Penetration von Evans Blue analysiert. Darüber hinaus wurden in vivo kleinmolekulare Inhibitoren für die Matrixmetalloproteinase-9 (MMP-9) eingesetzt, um ihre Wirkung auf den Blut-Hirn-Schrankenzusammenbruch in den verschiedenen Mauslinien zu untersuchen. Hierbei sollte insbesondere untersucht werden, ob und wie die CEACAM1 Expression mit einer erhöhten Menge oder Aktivität der MMP-9 korreliert. Während des Zusammenbruchs der Blut-Hirn-Schranke verliert das zerebrale Endothel seine Barrierefunktion. Der biphasische Blut-Hirn-Schrankenzusammenbruch, der zunächst reversibel und später irreversibel nach Arterienokklusion und Reperfusion stattfindet, wird wesentlich von der Expression des Adhäsionsmoleküls CEACAM1 beeinflusst: wir konnten belegen, dass insbesondere die myeloische Expression von CEACAM1, weniger die endotheliale, verantwortlich ist für das Ausmaß, in dem sich nach Arterienokklusion und Reperfusion das zerebrale Ödem und die Penumbra ausbilden. So waren das zerebrale Ödem, die Mittellinienverschiebung und die Morbidität in CEACAM1-defizienten Mäusen signifikant stärker ausgeprägt als in CEACAM1-kompetenten Tieren, welche auch eine signifikant höhere Überlebensrate nach ischämischem Schlaganfall zeigten. Ursächlich für diese Beobachtungen war der stärkere Blut-Hirn-Schrankenzusammenbruch in CEACAM-knockout-Mäusen, verglichen mit den Kontrolltieren. Weiter führende Analysen der zellulären Infiltrate in die ischämischen Gehirnareale zeigten, dass in CEACAM1-negativen Tieren deutlich mehr Granulozyten in die infarzierten Areale eingewandert waren. Diese CEACAM1-negativen neutrophilen Granulozyten produzierten signifikant höhere MMP-9-Spiegel als Granulozyten aus CEACAM1-kompetenten (Wildtyp/WT) Tieren, was zu einem schwerwiegenderen Blut-Hirn-Schrankenzusammenbruch in CEACAM1-defizienten Tieren auslöst. Es ist bekannt, dass die Matrixmetalloproteinase MMP-9 mitverantwortlich für den irreversiblen Blut-Hirn-Schrankenzusammenbruch ist. Der Zusammenhang von myeloischen Zellen, die CEACAM1 exprimieren, und vaskulärer Integrität und Remodelling, wurde zuvor mehrfach von uns belegt. Entgegen der lang akzeptierten Vermutung, dass CEACAM1 vor Allem auf über seine endotheliale Expression regulativ in Gefäßumbauprozesse eingreift, konnte belegt werden, dass die CEACAM1-Expression auf myeloischen Zellen wesentlich zur Geweberegernation, z.B. in der chronischen Wundheilung, aber auch zur Arteriogenese und Kollateralenbildung, beiträgt. Andere Gruppen belegten, dass CEACAM1 die inflammatorische Kaskade (TLR4-Signalgebung) auf myeloischen Zellen während bakterieller Infektionen herunter reguliert und somit zu einer Verminderung der Aktivität des Inflammasoms führt. In CEACAM1-knockout-Mäusen dagegen lag eine erhöhte Aktivität des TLR4-Inflammasoms vor, verbunden mit überschießender IL-1β Produktion. Die vielfach in der CEACAM1-Literatur geforderte endotheliale Dominanz von CEACAM1 hinsichtlich seiner angiogenen Wirkung konnten wir in dem Schlaganfallmodell nicht belegen: im Rahmen der Fragestellung, ob die endotheliale CEACAM1 Expression zu einer verstärkten Angiogenese in der Penumbra führt, oder aber sich die endotheliale Proliferation signifikant zwischen WT Tieren und CEACAM1-knockout-Mäusen unterscheiden, konnten wir jedoch keine signifikanten Unterschiede zwischen den Mauslinien feststellen.
Publications
- (2013). Carcinoembryonic Antigen-Related Cell Adhesion Molecule 1 Inhibits MMP-9-Mediated Blood-Brain-Barrier Breakdown in a Mouse Model for Ischemic Stroke. Circ Res 113, 1013-1022
Ludewig, P., Sedlacik, J., Gelderblom, M., Bernreuther, C., Korkusuz, Y., Wagener, C., Gerloff, C., Fiehler, J., Magnus, T., and Horst, A.K.
(See online at https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.113.301207)
