The Vessel Wall and Beyond: Characterization of Myeloid Progenitors in the Adult Mouse Brain
After almost two decades of extensive research, some controversy has remained regarding the self-renewal of resident macrophages of the central nervous system (CNS). Concurrently, the vessel wall has emerged as a potentially ubiquitous niche for stem and progenitor cells, including committed macroph...
| Main Author: | |
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| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | English |
| Published: |
2021
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| Subjects: | |
| Online Access: | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/18646 http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-186465 https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-186465 https://doi.org/10.25972/OPUS-18646 https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/18646/Koeniger_Tobias_Myeloid_Progenitors_in_Adult_Brain.pdf |
| Summary: | After almost two decades of extensive research, some controversy has remained regarding the self-renewal of resident macrophages of the central nervous system (CNS). Concurrently, the vessel wall has emerged as a potentially ubiquitous niche for stem and progenitor cells, including committed macrophage precursors. It is conceivable that their occurrence in the CNS might explain the brain-resident hematopoietic potential, which has repeatedly been observed but not yet characterized in detail. In this work, the presence of hematopoietic progenitors inside and outside the vessel wall was studied in the adult mouse brain, as well as their possible contribution to the resident macrophage pool. An immunohistological analysis did not corroborate CD45+ SCA-1+ macrophage progenitors, which have been characterized in peripheral arteries, in the circle of Willis. Accordingly, the ex vivo culture of CNS vessels did not provide evidence for de novo formation of macrophages, but for the extensive proliferative capacity of mature cells. However, when analyzing whole brain suspensions in colony-forming unit (CFU) assays, rare Iba1- Cx3cr1- (immature) clonogenic cells were detected, which were enriched at the cerebral surface/meninges and differentiated into macrophages in culture. Intravenous antibody injection and cell sorting confirmed their residence behind the blood-brain barrier. Intriguingly, brain-derived CFUs produced a unique pattern of colony types compared to cells from bone marrow (BM) or blood. Still they displayed the same immunophenotype as BM-resident myeloid progenitors (CD45lo, LIN-, SCA-1-, IL7Rα-, c-KIT+) and could be further stratified into a progenitor hierarchy giving rise to all erythro-myeloid cell types in vitro. This similarity was substantiated by labeling of their progeny in Flt3Cre x Rosa26mT/mG mice, which indicated a descendance from hematopoietic stem cells. While forced repopulation of brain macrophages using the CSF-1R inhibitor PLX5622 did not point to a role of progenitors in in vivo microglia/macrophage maintenance, recent advances in hematology imply that they might be involved in CNS immunosurveillance. In conclusion, though there was no evidence for adventitial macrophage precursors in the CNS, this study confirms the presence of myeloid progenitors in the adult brain and provides the anatomical and phenotypical details necessary to elucidate their relevance in neuroinflammation. === Nach fast zwei Jahrzehnten intensiver Forschung wird der Selbsterhalt residenter Makrophagen im zentralen Nervensystem (ZNS) immer noch kontrovers diskutiert. Gleichzeitig hat sich die Gefäßwand als eine potentiell ubiquitäre Nische für Stamm- und Vorläuferzellen herausgestellt, einschließlich determinierter Vorläufer für Makrophagen. Dass diese auch im ZNS vorhanden sind, könnte die wiederholten Berichte über hämatopoetisches Potenzial im Gehirn erklären, welches bisher nicht genau charakterisiert wurde. In der vorliegenden Arbeit wurde daher die Existenz hämatopoetischer Vorläuferzellen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Gefäßwände des Gehirns erwachsener Mäuse untersucht. Weiterhin wurde deren Beitrag zu residenten Makrophagen-Populationen überprüft. Eine immunhistologische Analyse konnte CD45+ SCA-1+ Makrophagen-Vorläufer, wie sie in peripheren Arterien beschrieben wurden, im Circulus arteriosus Willisii nicht bestätigen. Entsprechend lieferte die Kultur von ZNS-Gefäßen keine Hinweise auf eine Neubildung von Makrophagen, zeigte aber ein hohes Teilungsvermögen reifer Zellen auf. Allerdings wurden in colony-forming unit assays mit Hirnzellsuspensionen seltene Iba1- Cx3cr1- (unreife) klonogene Zellen detektiert, die im Bereich der Hirnhaut angereichert waren und in Kultur zu Makrophagen differenzierten. Eine intravenöse Antikörperinjektion und Zellsortierung belegten, dass sie sich hinter der Blut-Hirn-Schranke befanden. Klonogene Zellen des Hirns erzeugten ein eigentümliches Muster an Kolonietypen, welches sich von dem des Knochenmarks und des Blutes unterschied. Trotzdem glichen sie in ihrem Immunphänotyp myeloiden Vorläuferzellen des Knochenmarks (CD45lo, LIN-, SCA-1-, IL7Rα-, c-KIT+) und konnten weiter in eine Hierarchie von Vorläufern aufgespalten werden, die in vitro alle erythro-myeloiden Zelltypen hervorbrachte. Diese Ähnlichkeit wurde dadurch unterstrichen, dass ihre Nachkommen in Flt3Cre x Rosa26mT/mG Mäusen markiert wurden, was eine Abstammung von hämatopoetischen Stammzellen anzeigte. Während die induzierte Repopulation von Hirn-Makrophagen mit Hilfe des CSF-1R Inhibitors PLX5622 keine Vorläuferbeteiligung beim Erhalt von Mikroglia/Makrophagen in vivo vermuten ließ, deuten neue Erkenntnisse im Bereich der Hämatologie darauf hin, dass die beschriebenen Vorläufer in die immunologische Überwachung des ZNS involviert sein könnten. Wenngleich keine Anhaltspunkte für adventitielle Makrophagen-Vorläufer im ZNS gefunden wurden, bestätigt diese Arbeit die Existenz myeloider Vorläufer im adulten Hirn und liefert notwendige anatomische und phänotypische Informationen, um deren Bedeutung im Rahmen entzündlicher Prozesse des ZNS aufzuklären. |
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