Systemische IL-4 Gabe nach traumatischer Rückenmarksverletzung begünstigt den funktionellen Outcome und wirkt immunmodulatorisch im Ratten-Modell

Abstract-Text deutsch

Einführung:

Eine traumatische Rückenmarksverletzung (SCI) verursacht eine lokale und systemische Entzündung, die die Neuroregeneration einschränkt und zu lebenslanger Behinderung und systemischen Komplikationen beiträgt. Die Bekämpfung systemischer Stresskaskaden nach SCI könnte deshalb ein Behandlungsansatz sein. Da Interleukin-4 (IL-4) ein entzündungshemmender Immunmodulator ist, wurden seine Auswirkungen bei systemischer Gabe auf die funktionelle Erholung sowie die lokale und systemische Entzündungsreaktion nach SCI bei Ratten untersucht.

Methoden:

120 weibliche Wistar-Ratten wurde entweder einer Laminektomie mit einer thorakalen (Th10) Clip-Kompression-SCI (IL-4, Placebo) oder nur einer Laminektomie (Sham) unterzogen. Die SCI-Tiere erhielten dann 7 Tage lang zweimal täglich intraperitoneal IL-4 oder Placebo. Die neurologische Funktion wurde 3, 7, 14, 21 und 28 Tage nach der Verletzung (dpi) anhand der CatWalk XT Ganganalyse, der BBB (Basso, Beattie, Bresnahan) Openfield Rating Scale und des Gridwalk-Tests (nur bei 28 dpi) untersucht. Die Ratten wurden an 1, 3, 7, 14 und 28 dpi geopfert. Die Neuroinflammation, zelluläre Neurodegeneration und Astrogliose wurden in den explantierten Rückenmärkern mittels Immunhistochemie (IHC) untersucht. Es wurden Protein- und RNA-Level verschiedener Zytokine im Serum und in den peripheren Organen mittels Durchflusszytometrie/RT-PCR gemessen, um die systemische Entzündung zu beurteilen.

Ergebnisse:

Die mit IL-4 behandelten Ratten zeigten eine signifikant höhere Erholung der BBB-Werte im Vergleich zu den Placebo-Ratten nach 14 und 28 dpi. Die CatWalk XT-Ganganalyse zeigte eine signifikant besser Funktion der hinteren Gliedmaßen bei IL-4-Ratten, die ihr Maximum bei 14 dpi erreichte. Auch bot die IL-4-Gruppe nach 28 dpi im Vergleich zur Placebogruppe im Gridwalk-Test eine geringere Rate an Schrittfehlern. In den IHC-Analysen konnte bei den IL-4-behandelten Ratten im Vergleich zu den Placebo-Ratten nach 3 und 7 dpi ein signifikant höheres Verhältnis von anti-inflammatorischen M2- zu pro-inflammatorischen M1-Makrophagen festgestellt werden. Außerdem war die Astrogliose unter der IL-4-Behandlung nach 28 dpi signifikant reduziert. Die Placebo-SCI-Ratten zeigten signifikant höhere Werte an pro-inflammatorischen Serumzytokinen verglichen mit Sham-Ratten. Unter der IL-4-Behandlung konnte eine starke Verringerung pro-inflammatorischer Zytokine und ein Anstieg anti-inflammatorischer Zytokine beobachtet werden.

Schlussfolgerung:

Unsere Ergebnisse belegen einen Zusammenhang zwischen der systemischen Verabreichung von IL-4 und einer verbesserten funktionellen Erholung nach SCI bei Ratten, vermutlich durch seine lokale und systemische entzündungshemmende Wirkung. Darüber hinaus scheinen Neuroinflammation und Astrogliose durch die IL-4-Gabe wirksam reduziert zu werden. Somit könnte IL-4 ein vielversprechender Kandidat für weitere präklinische und schließlich translationale Studien zur SCI-Behandlung in Betracht gezogen werden.

Abstract-Text englisch

Introduction: Traumatic spinal cord injury (SCI) elicits a local and self-propagating systemic inflammation, limiting neuro-regeneration and contributing to lifelong disability and systemic complications. While experimental therapies focus on reducing the local inflammatory response, tackling systemic stress cascades following SCI could be a viable treatment approach as well. Because interleukin-4 (IL-4) is an anti-inflammatory immune-modulator, we aimed to decipher its effects after systemic application on functional recovery, local spinal cord and systemic inflammation upon SCI in rats.

Methods: 120 female Wistar rats were randomized to undergo either a laminectomy with a thoracic (Th10) clip compression SCI (IL-4, Placebo) or a laminectomy only (Sham). SCI animals then received IL-4 or placebo intraperitoneally twice daily for 7 days. Neurological function was assessed 3, 7, 14, 21 and 28 days post injury (dpi) via the CatWalk XT gait analysis, the BBB (Basso, Beattie, Bresnahan) openfield rating scale and the Gridwalk test (only at 28 dpi). Rats were sacrificed at different timepoints (1, 3, 7, 14 and 28 dpi) and immunohistochemistry (IHC) was used to assess neuroinflammation, cellular neurodegeneration, and astrogliosis of explanted and cryosectioned spinal cords. In addition, protein and RNA levels of different cytokines were measured in the serum and peripheral organs via flow cytometry/RT-PCR to assess systemic inflammation.

Results: Rats with the IL-4 treatment bore significantly higher recovery of BBB scores compared to placebo-treated rats 14 and 28 dpi. In terms of hind limb function, the CatWalk XT gait analysis showed significantly higher recovery in IL-4 rats, peaking at 14 dpi. Furthermore, at 28 dpi, the IL-4 group demonstrated a lower rate of stepping-errors compared to the placebo group in the Gridwalk test. In IHC analyses, a significantly higher ratio of anti-inflammatory M2- to pro-inflammatory M1-macrophages was observed in IL-4 treated rats compared to placebo rats 3 and 7 dpi. Furthermore, astrogliosis was significantly reduced with the IL-4 treatment 28 dpi. In terms of systemic inflammation, placebo-treated SCI group showed significantly higher levels of pro-inflammatory serum cytokines compared to sham rats. With the IL-4 treatment, however, a strong reduction of those pro-inflammatory cytokines and an increase of anti-inflammatory cytokines could be observed in the acute to subacute post-injury phase.

Conclusion: Our findings establish an association between systemic IL-4 application and improved functional recovery after SCI in rats, possibly due to its local and systemic sub-acute anti-inflammatory effects. In addition, neuroinflammation and tissue scarring appear to be effectively reduced by said IL-4 application. Thus, IL-4 might be a promising treatment candidate for SCI and could be considered for further preclinical and ultimately translational studies.