In letzter Zeit gab es ein beträchtliches Interesse an der Rolle von Mikroglia und Knochenmarkzellen (BM) im zentralen Nervensystem (ZNS), sowohl während der Krankheit als auch bei normalem Altern. Es ist jetzt bekannt, dass sich Mikroglia, die residenten Immunzellen des ZNS, nach dem Eintritt primitiver myeloischer Vorläuferzellen während der Embryogenese im ZNS entwickeln1. Mikroglia behalten Aspekte ihrer myelomonozytären Abstammung bis weit ins Erwachsenenalter bei. Während es Hinweise darauf gibt, dass der Beitrag von BMDCs zum Mikroglia-Pool bei gesunden erwachsenen Tieren minimal ist1, bleibt die Rolle, die BMDCs beim Fortschreiten verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen spielen, unklar. Diese Unsicherheit wird durch die Tatsache verstärkt, dass es schwierig ist, BMDCs, die sich im ZNS ansammeln, von endogenen residenten Mikroglia zu unterscheiden, da kein allgemein akzeptierter diskriminierender immunhistochemischer Marker identifiziert wurde. Um BMDCs in vivo zu überwachen, verwenden wir ein BM-Transplantationsprotokoll (BMT), bei dem endogene BM-Zellen einer Empfängermaus durch diejenigen einer Spendermaus ersetzt werden, die ubiquitär grün fluoreszierendes Protein (GFP) exprimieren, unter Kontrolle des β-Aktin-Promotors. Dieses Protokoll ermöglicht die Bestimmung sowohl der Lokalisation als auch der Morphologie von GFP+-BMDCs in der Empfängermaus mittels Immunhistochemie und ermöglicht die weitere Charakterisierung dieser Zellen mittels Fluoreszenz-aktivierter Zellsortierung (FACS) mit anschließenden biochemischen Assays.
Für eine erfolgreiche BMT müssen Empfänger-BM-Zellen abgetragen werden (Myeloablation genannt), um Nischenraum innerhalb des Empfänger-BM zu schaffen, der eine Transplantation von Spenderzellen ermöglicht. Häufig wird die Myeloablation durch Ganzkörper-Gammabestrahlung erreicht, die Doppelstrangbrüche in der DNA induziert, die zum Zelltod führen, insbesondere in sich aktiv teilenden Zellen wie hämatopoetischen Vorläuferzellen2,3. Die Bestrahlungsprotokolle werden durchgeführt, um einen ausreichenden BM-Zelltod zu induzieren, so dass die Letalität des Tieres eintritt, wenn das Empfängertier keine angemessene Spenderzelltransplantation durch BMT erreicht (so genannte "letale Bestrahlung"). Die Bestrahlung erfordert jedoch eine spezielle Einrichtung und Ausrüstung sowie veterinärmedizinische und tierzüchterische Ressourcen, die den Forschern nicht an allen Institutionen zur Verfügung stehen. Darüber hinaus kann die myeloablative Bestrahlung potenziell tödliche Schäden an anderen Geweben verursachen, und aufgrund der Immunsuppresion sind bestrahlte Tiere anfälliger für Sekundärinfektionen3. Aus diesem Grund wurden Konditionierungsschemata mit reduzierter Intensität (so genannte "RIC"-Protokolle) entwickelt, die darauf abzielen, potenziell toxische Nebenwirkungen des Konditionierungsprotokolls bei Patienten zu minimieren, insbesondere für den Einsatz in Risikogruppen wie Kindern und älteren Menschen4.
Einige RIC-Protokolle verlassen sich auf Chemotherapeutika wie Busulfan, um das BM-Kompartiment zu konditionieren. Busulfan ist ein bifunktioneller DNA-Alkylierungsmittel, der klinisch häufig als Alternative zur Bestrahlung eingesetzt wird5,6. Insbesondere kann Busulfan Mäusen sicher durch intraperitoneale (IP) Injektion verabreicht werden und erfordert nicht die speziellen Einrichtungen und Geräte, die für die Bestrahlung von Mäusen erforderlich sind. Die Busulfan-Konditionierung wurde in unserem Laborausgiebig eingesetzt 7 sowie in mehreren anderen neueren Veröffentlichungen8–11. Bei Verwendung von Dosen von 60-100 mg/kg kann ein hohes Maß an stabilem Chimärismus (>80% GFP+-Zellen) im peripheren Blut und BM7 etabliert werden. Wichtig ist, dass die Myeloablation bei diesen Dosen nicht vollständig ist und Mäuse daher in der Lage sind, ohne Unterstützung durch BM-Zellen zu überleben (K. Peake, J. Manning, C. Lewis und C. Krieger, unveröffentlichte Beobachtungen). Darüber hinaus kommt es bei der myelosuppressiven Busulfan-Konditionierung zu einer schnellen Rekonstitution von myelomonozytären Zellen des peripheren Blutes durch Spenderzellen. Der Ersatz von Lymphozyten aus dem peripheren Blut durch Spenderzellen verläuft jedoch langsamer, was den Mangel an Immunsuppression unterstreicht, der bei Dosen von 60-100 mg/kg Busulfan im Vergleich zur Ganzkörperbestrahlung auftritt7.
Wir haben erfolgreich Busulfan-induzierten Chimärismus verwendet, um BMDCs in Wildtyp-Mäusen sowie in Mausmodellen der neurodegenerativen Erkrankungen Amyotrophe Lateralsklerose (ALS)7 und Alzheimer-Krankheit zu untersuchen. Es wurde beobachtet, dass sich unter bestimmten Bedingungen eine signifikante Anzahl von GFP+-BMDC im ZNS ansammelt7,12. Wichtig ist, dass die Busulfan-Konditionierung gefolgt von BMT wie die myeloablative Konditionierung mit Bestrahlung ausreicht, um eine GFP+ BMDC-Akkumulation im ZNS sowohl bei Wildtyp-Mäusen als auch bei Mäusen mit neurologischen Erkrankungenzu ermöglichen 7–11. Da ein Haupthindernis bei der Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen die Fähigkeit ist, therapeutische Moleküle aus dem Blutkreislauf in das ZNS zu bringen, wo sie positive Wirkungen entfalten können, erhöht dies die Möglichkeit, dass BMDCs so verändert werden könnten, dass sie therapeutische Moleküle exprimieren, und anschließend als Vehikel verwendet werden könnten, um Therapeutika an das ZNS von Busulfan-konditionierten Empfängern zu liefern. Ein Mechanismus, den wir aktiv untersuchen. Obwohl wir festgestellt haben, dass die myeloablative Konditionierung mit Bestrahlung im Vergleich zur Busulfan-Konditionierung zu einer stärkeren Akkumulation von GFP+ BMDCs im ZNS führt7, kann die Bestrahlung bei Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen und in Mausmodellen der ZNS-Erkrankung eine erhebliche Toxizität aufweisen.
Obwohl wir und viele andere BMT-Modelle verwendet haben, um BMDCs bei neurodegenerativen Erkrankungen zu untersuchen, ist die Fähigkeit, das BM-Kompartiment einer Empfängermaus weitgehend durch eine eindeutig identifizierbare Population von BM-Zellen zu ersetzen, ein unschätzbares Werkzeug für die Untersuchung verschiedener Aspekte des hämatopoetischen Systems. Dazu gehört ein breites Spektrum von Forschungsthemen wie die Entwicklung der hämatopoetischen Abstammung, Leukämie, Organtransplantation, Graft-versus-Host-Reaktion und Immunbiologie.