MANF and CDNF in the rat model of cortical ischemia

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2994-9
Title: MANF and CDNF in the rat model of cortical ischemia
Author: Mätlik, Kert
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Department of Biosciences
Institute of Biotechnology
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Acute ischemic stroke is among the leading causes of long-term disability in developed countries. Among the contributing factors are our inability to limit brain damage in the acute-phase of stroke and the infrequency of complete spontaneous functional recovery. Effective pharmacological therapies that would protect neurons from ischemia-induced death are not available. Moreover, as of now, there are no proven pharmacological treatments to enhance the limited neurological recovery process in stroke patients. Neurotrophic factors MANF (mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor) and CDNF (cerebral dopamine neurotrophic factor) are currently among the most promising molecules for the treatment for Parkinson s disease (PD). Namely, both have shown great therapeutic potential in rodent models that mimic the most conspicuous and debilitating symptoms of PD, caused by the progressive degeneration of dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra (SN). However, in these preclinical studies the fate of CDNF and MANF after their therapeutic intracerebral administration has been poorly characterized. While MANF has been shown to protect cortical neurons from death in a rat model of ischemic brain injury, it is unknown whether CDNF has a similar effect. Moreover, the neurorestorative effects CDNF and MANF have been shown to have in animal models of PD raise the question of whether these factors could act similarly after cerebral ischemic damage and enhance functional recovery. In order to have a better understanding of what happens to recombinant human CDNF (rhCDNF) in brain tissue, we studied its distribution, intracellular localization and clearance after infusion into rat brain. We present the pharmacokinetic properties of striatally infused rhCDNF and describe the main intracellular localization patterns after its neuronal uptake. We also present data that after intrastriatal infusion, the rhCDNF found in the SN is almost exclusively localized to the DA neurons, thus showing that it is retrogradely transported. To shed light on the possible neuroprotective potential of CDNF for ischemic stroke, we studied the effect of CDNF in the rat model of ischemic brain injury achieved by temporary unilateral occlusion of the middle cerebral artery. We show that CDNF is protective against cortical ischemic injury when administered as a recombinant protein, but unlike MANF, not when delivered via a CDNF-expressing adeno-associated virus vector (AAV-CDNF). Our findings thus unmask an important difference in MANF and CDNF s capacity for therapeutic action. Using the same rat model of ischemic stroke, we studied the effect of delayed AAV-MANF administration on post-stroke behavioural recovery, taking advantage of the delivery method we have developed in order to target the expression of AAV vector-delivered genes to the peri-infarct area. We report that AAV-MANF, delivered to the peri-infarct area two days after transient ischemia, accelerates the reversal of ischemia-induced behavioral deficits without affecting lesion size. While histological analyses of brain tissue could not point out which cellular process mediates MANF s effect, an unbiased transcriptomics approach implies modulation of the activity of innate immune cells as a possible mechanism. In summary, MANF should be considered as a possible therapeutic agent or a drug target for promoting functional recovery after stroke. In addition, we show that in cultured peripheral neurons MANF needs to be in the endoplasmic reticulum in order to exert its intracellular survival-promoting activity. We also present data on the importance of two sequence motifs of MANF for its intracellular survival-promoting activity and the neuroprotective efficacy that extracellularly applied recombinant human MANF has in the rat model of cortical ischemic injury. In summary, this work has extended the knowledge on MANF and CDNF s capacity for therapeutic action, and the pharmacokinetic and structural properties important for their therapeutic use in further studies.Aivohalvaus on teollisuusmaissa yksi yleisimmistä kuolinsyistä ja yleisin syy heikentyneeseen elämänlaatuun. Valtaosassa aivohalvaustapauksista on häiriön syynä aivovaltimoa tukkiva veritulppa joka aiheuttaa veren ja hapen puutteen, ja lopulta aivokudoksen vaurioitumisen. Nykyiset hoitokeinot verenkierron palauttamiseen ovat rajalliset ja farmakologisia menetelmiä hermosolujen kuoleman estämiseksi ei ole. Lisäksi, potilaiden toimintakyvyn palautuminen aivoinfarktin jälkeen on vain osittaista ja palautumista nopeuttavilla kuntoutusmuodoilla vaikutus on rajallinen. Näistä syistä johtuen aivoinfarktista aiheutuva vammautuminen on hyvin yleistä ja valitettavasti myös pysyvää. MANF- ja CDNFhermokasvutekijöillä on havaittu olevan vahva hermosoluja suojaava ja niiden toimintaa palauttava vaikutus Parkinsonin taudin eläinmalleissa. MANF:lla on lisäksi osoitettu olevan vahva hermosoluja suojaava vaikutus aivoinfarktin rottamallissa, mutta CDNF:n hermosoluja aivoiskemialta suojaavaa vaikutusta ei ole tähän asti tutkittu. Aivokudokseen annosteltujen CDNF ja MANF proteiinien vaikutuksista on hyvin vähän tietoa, mutta pre-kliinisten ja kliinisten jatkotutkimusten suunnittelun kannalta tämä tieto olisi olennaista. Tässä työssä on selvitetty mihin soluihin aivokudokseen annosteltu CDNF pääsee, miten se niissä sijoittuu ja miten nopeasti se aivokudoksesta häviää. Lisäksi olemme osoittaneet, että aivokudokseen annosteltu CDNF kuljetetaan myös keskiaivojen dopaminergisiin hermosoluihin, joiden rappeutuminen aiheuttaa Parkinsonin taudin motoriset oireet. Näytämme aivoinfarktin rottamallia käyttäen, että aivokudokseen annostellulla CDNF proteiinilla on kyky suojata aivokuoren soluja iskemialta. Tämän tuloksen mukaan on aivohalvauksen mahdollisen hoitokeinon löytämiseksi syytä jatkaa CDNF:n suojaavan vaikutuksen tutkimista. Lisäksi olemme havainneet geeniterapiaa käyttäen, että MANF, annosteltuna kaksi päivää aivoiskemian jälkeen, vähentää aivoinfarktin rottamallissa eläinten motorista toimintahäiriötä aivoinfarktia seuraavien viikkojen aikana. Mahdollista MANF-pohjaista hoitokeinoa voisi tämän havainnon perusteella kehittää aivoinfarktipotilaiden toiminnallisen palautumisen nopeuttamiseksi. Lopulta olemme tutkineet MANF proteiinin rakenteellisten aiheiden tärkeyttä hermosoluja suojaavan ominaisuuden kannalta, verraten niiden tarpeellisuutta viljellyissä hermosoluissa ja aivoinfarktin rottamallissa. Tämä työ on lisännyt tietojamme MANF:n ja CDNF:n terapeuttisesta potentiaalista ja näiden proteiinien farmakokineettisistä ja rakenteellisista ominaisuuksista.
URI: URN:ISBN:978-951-51-2994-9
http://hdl.handle.net/10138/176370
Date: 2017-03-24
Subject: biologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record