Characterization of the glial scar tissue in a murine model of spinal cord compression, with focus on hyaluronan

Abstract

Spinal cord injury (SCI) is a devastating neurological disorder that affects thousands of people each year. Although in recent decades significant progress has been made in relation to understanding the molecular and cellular events underlying the nervous damage, spinal cord injury is still a highly disabling condition for which there is no curative therapy. People affected by spinal cord injuries manifested dysfunction or loss, temporary or permanent, of motor, sensory and / or autonomic functions depending on the spinal lesion damaged. Currently, the incidence rate of this type of injury is approximately 15-40 cases per million people worldwide. At the origin of these lesions are: road accidents, falls, interpersonal violence and the practice of sports. In this work we placed the hypothesis that HA is one of the component of the scar tissue formed after a compressive SCI, that it is likely synthetised by the perilesional glial cells and that it might support the permeation of the glial scar during the late phase of SCI. Nowadays, much focus is drawn on the recovery of CNS function, made impossible after SCI due to the high content of sulfated proteoglycans in the extracellular matrix. Counterbalancing the ratio between these proteoglycans and hyaluronic acid could be one of the experimental therapy to re-permeate the glial scar tissue formed after SCI, making possible axonal regrowth and functional recovery. Therefore, we established a model of spinal cord compression in mice and studied the glial scar tissue, particularly through the characterization of the expression of enzymes related to the metabolism of HA and the subsequent concentration thereof at different distances of the lesion epicenter. Our results show that the lesion induced in mice shows results similar to those produced in human lesions, in terms of histologic similarities and behavioral results. but these animals demonstrate an impressive spontaneous reorganization mechanism of the spinal cord tissue that occurs after injury and allows for partial recovery of the functions of the CNS. As regards the study of the glial scar, changes were recorded at the level of mRNA expression of enzymes metabolizing HA i.e., after injury there was a decreased expression of HA synthases 1-2 (HAS 1-2) and an increase of the expression HAS3 synthase mRNA, as well as the enzymes responsible for the HA catabolism, HYAL 1-2. But the amount of HA measured through the ELISA test was found unchanged after injury, it is not possible to explain this fact only with the change of expression of enzymes. At two weeks and in response to SCI, we found synthesized HA by reactive astrocytes and probably by others like microglial cells as it was advanced by the HA/GFAP+ and HA/IBA1+ cells co-location.

A lesão medular é uma desordem neurológica devastadora que afeta milhares de pessoas a cada ano. E apesar de nas últimas décadas ter sido feito um enorme progresso relativamente à compreensão dos eventos moleculares e celulares que este dano desencadeia, a lesão medular ainda é uma condição altamente incapacitante e mortal para a qual ainda não há cura. Os indivíduos que apresentam lesões medulares, manifestam disfunção ou perda, temporária ou permanente, das funções motoras, sensoriais e/ou autonómicas. Atualmente a taxa de incidência desta tipologia de lesões é de aproximadamente, 15-40 casos por milhão de pessoas em todo o mundo. Na origem destas lesões estão: acidentes rodoviários, quedas, violência interpessoal e a prática de desportos. Neste trabalho foi colocada a hipótese de que o ácido hialurónico (HA) seja um dos componentes do tecido cicatricial formado após a compressão medular e que provavelmente seja sintetizado pelas células gliais situadas à volta da lesão, podendo ajudar na penetração da cicatriz glial, por parte das células nervosas, durante uma fase mais tardia da lesão da espinal medula. Atualmente tem sido dada muita atenção ao restabelecimento da função do SNC, impossibilitado pelo elevado teor de proteoglicanos sulfatados na matriz extracelular. O contrabalanço do rácio entre o teor de proteoglicanos e de HA pode ser uma terapia experimental para a re-permeabilização do tecido da cicatriz glial formada após a lesão medular, possibilitando o crescimento axonal e a recuperação funcional. Por isso, estabeleceu-se um modelo de compressão da espinal medula em ratinhos e estudou-se o tecido da cicatriz glial, em particular, a caracterização da expressão de enzimas relacionadas com o metabolismo do HA e a sua posterior concentração a diferentes distâncias do epicentro da lesão. Os nossos resultados mostram que a lesão induzida em ratinhos produziu resultados semelhantes às lesões encontradas em humanos, tanto do ponto de vista histológico como funcional. No entanto, após traumatismo, estes animais demonstraram um mecanismo de recuperação espontânea impressionante na espinal medula resultando numa recuperação parcial da função do SNC. Quanto ao estudo da cicatriz glial, as alterações foram detetadas na expressão do mRNA das enzimas metabolizadoras de HA, isto é, após a lesão houve uma diminuição na expressão das HAS1-2 e um aumento na expressão de mRNA da sintase HAS3 assim como das enzimas ligadas à degradação do HA, HYAL 1-2. Porém, duas semanas após LM a concentração de HA medida através do teste ELISA encontrou-se inalterada. É impossível explicar este facto apenas com a mudança na expressão das enzimas ligadas ao HA. A duas semanas pós-trauma, em resposta à LM, encontrámos HA sintetizado por astrócitos reativos e, provavelmente, por outras células, como a microglia tal como foi avançado pela co-localização de HA/IBA1+ e HA/GFAP+.

Le traumatisme médullaire est une affection neurologique dévastatrice qui affecte des milliers de personnes chaque année. Bien que ces dernières décennies d'énormes progrès ont été fait par rapport à la compréhension des événements moléculaires et cellulaires qui déclenchent les dommages au sein du tissu nerveux, les dommages de la moelle épinière sont encore irréversibles et rendent les personnes atteintes très invalidées. Aucun traitement visant à remédier aux pertes fonctionnelles n’est disponible. Les gens atteints de traumatismes de la moelle épinière, manifestent un dysfonctionnement ou une perte, temporaire ou permanente, des fonctions motrice, sensorielle et / ou autonome. Actuellement, l’incidence de ce type de blessure est d'environ 15-40 cas par million de personnes dans le monde. L'origine de ces lésions sont: accidents de la route, chutes, violence interpersonnelle et pratique de sports. Dans ce travail, nous avons placé l'hypothèse que l'acide hyaluronique (HA) est l'un des composants du tissu cicatriciel formé après une compression de la moelle épinière, qu'il est probablement synthétisé par les cellules gliales péri lésionnelles et qu'il pourrait soutenir la pénétration de la cicatrice gliale pendant la phase tardive de la LM. Actuellement beaucoup d'attention est attirée sur le rétablissement de la fonction du système SNC, rendue impossible après la LM en raison de la contenu élevé en protéoglycanes sulfatés dans la matrice extracellulaire. Contrebalançant le rapport entre ces protéoglycanes et l'HA peut être une thérapie expérimentale de la re-pénétration dans le tissu de cicatrice gliale formé après la LM, ce qui rend possible le repousse axonale et la récupération fonctionnelle. Par conséquent, nous avons établi un modèle de compression de la moelle épinière chez des souris et étudié le tissu de la cicatrice gliale, en particulier par la caractérisation de l'expression des enzymes liées au métabolisme de l'HA et la concentration ultérieure de celui-ci à des distances différentes de l'épicentre de la lésion. Les résultats montrent que la lésion induite chez la souris produit des résultats similaires à ceux trouvés dans les lésions humaines, d'un point de vue fonctionnel et histologique. Toutefois, après un traumatisme, ces animaux ont démontré un mécanisme de récupération spontanée impressionnante dans la moelle épinière entraînant une reprise partielle de la fonction du système nerveux central. De manière surprenante, la quantité d'HA vérifiée par le test ELISA s’est trouvé inchangée deux semaines après traumatisme médullaire. Il est impossible d'expliquer ce fait uniquement avec le changement de l'expression d'enzymes liées à l'HA. Nous avons constaté que deux semaines après traumatisme, il ya l' HA synthétisé par les astrocytes réactifs et probablement par d'autres comme les cellules microgliales comme il a été avancé par les résultats de colocalisation de l' HA et cellules GFAP+ ainsi que l'HA et cellules IBA1+.