Alsaedi, Eyad (2025) The effect of NDP-MSH microparticles on the integrity of the blood-brain barrier. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

Multiple sclerosis (MS) is a chronic inflammatory neurodegenerative disease of the central nervous system (CNS) characterized by a disrupted blood-brain barrier (BBB), which is composed of endothelial cells (EC) connected by tight junction (TJ) proteins like claudin 5 and zonula occludens 1 (ZO-1). This structure prevents harmful substances and immune cells from entering the CNS. In both MS and its mouse model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), reduced TJ molecule expression increases EC permeability, allowing immune cell infiltration, which produce pro-inflammatory cytokines and cause neuronal damage. Nle4-D-Phe7-α-MSH (NDP-MSH), a synthetic alpha melanocyte-stimulating hormone analogue, ameliorates EAE by binding to melanocortin 1 receptor (MC1R), reducing immune cell infiltration and pro-inflammatory cytokine secretion. Moreover, NDP-MSH was shown to have neuroprotective capacities. However, its effect on BBB integrity remains unclear. This study proposes that enhancing BBB integrity through NDP-MSH reduces immune infiltration, protects neurons, and therefore ameliorates EAE. In accordance with animal welfare law, EAE was induced in C57BL/6 mice and MC1Re/e mice, having a non-functional MC1R, using myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG) peptide. Due to the short half-life of NDP-MSH, the compound was encapsulated into PLGA microparticles (NDP-MSH mp) and its effect was tested in these mice. NDP-MSH mp ameliorated EAE symptoms in an MC1R-dependent manner. Moreover, immunofluorescence staining of brain sections revealed a marked increase in claudin-5 and ZO-1 expression, along with significantly enhanced co-localization in C57BL/6 mice, but not in MC1Re/e mice. In support of this, qPCR experiments confirmed a significant upregulation in Cldn5, Tjp1 mRNA expression and showed significant increase in Ocln and Cdh5 mRNA expression in C57BL/6 mice after NDP-MSH mp treatment, by binding to MC1R, indicating enhanced BBB integrity. Furthermore, trans-endothelial electrical resistance (TEER) assays on murine brain microvascular EC (MBMEC) treated with TNFα and IL-1β demonstrated increased electrical resistance after NDP-MSH mp treatment, suggesting improved EC monolayer integrity. Notably, this effect was abrogated in MBMEC isolated from MC1Re/e mice. Additionally, qPCR analysis revealed elevated Cldn5 and Tjp1 expression in C57BL/6 mice, while MC1Re/e MBMEC showed no significant changes, indicating MC1R-mediated effect. RNA sequencing of brain CD45+ cells from mice with active EAE indicated decreased Vegfa expression, encoding vascular endothelial growth factor A, in C57BL/6 mice, suggesting its involvement in the molecular pathway mediating the effects of NDP-MSH mp. These findings reveal that NDP-MSH mp enhances BBB integrity in EAE via MC1R binding, might provide a potential therapeutic approach for neurodegenerative diseases like MS through PLGA microparticle delivery. Further investigation of the molecular mechanism should be conducted as well as generating PLGA nanoparticle containing NDP-MSH will probably help in improving the therapeutic outcomes.

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Die Wirkung von NDP-MSH-Mikropartikeln auf die Integrität der Blut-Hirn-Schranke

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Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch-entzündliche, neurodegenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), die unter anderem durch eine gestörte Funktion der Blut-Hirn-Schranke (BHS) gekennzeichnet ist. Die BHS besteht aus Endothelzellen (EC), die durch Tight Junctions (TJ), bestehend aus spezifischen Proteinen wie Claudin-5 und Zonula occludens 1 (ZO-1), miteinander verbunden sind. Diese Struktur verhindert das unkontrollierte Eindringen schädlicher Substanzen und Immunzellen in das ZNS. Nicht nur bei MS, sondern auch im Mausmodell der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), führt eine verringerte Expression von TJ-Molekülen zu einer erhöhten Permeabilität der Endothelzellen, was die Infiltration von Immunzellen, die Produktion proinflammatorischer Zytokine und neuronale Schäden verursacht. Nle4-D-Phe7-α-MSH (NDP-MSH), ein synthetisches Analogon des Alpha Melanozyten-stimulierenden Hormons, hemmt die Entwicklung und Progression einer EAE durch Bindung an den Melanocortin-1-Rezeptor (MC1R), indem es die Infiltration von Immunzellen und die Sekretion proinflammatorischer Zytokine reduziert. Gleichzeitig besitzt NDP-MSH potente neuroprotektive Eigenschaften. Der Einfluss des Hormons auf die Integrität der BHS ist jedoch unklar. Diese Studie stellt die Hypothese auf, dass die Verbesserung der BHS-Integrität durch NDP-MSH dazu führt, die Immuninfiltration zu verringern, Neuronen zu schützen und somit die EAE Entwicklung zu hemmen. Nach dem Tierschutzgesetz, EAE wurde bei C57BL/6-Mäusen und MC1Re/e-Mäusen, die einen nicht-funktionalen MC1R haben, durch Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein (MOG)-Peptid induziert. Aufgrund der Instabilität und der kurzen Halbwertszeit von NDP-MSH wurde das Molekül in PLGA-Mikropartikel (NDP-MSH mp) verkapselt und ihre Wirkung an diesen Mäusen untersucht. NDP-MSH mp verringerten die EAE-Symptome durch Bindung an MC1R. Immunfluoreszenzfärbungen von Gehirnschnitten zeigten eine deutliche Erhöhung der Claudin-5- und ZO-1-Expression sowie eine signifikant verstärkte Ko-Lokalisation bei C57BL/6-Mäusen, jedoch nicht bei MC1Re/e-Mäusen. qPCR-Experimente bestätigten eine signifikante Hochregulierung der Cldn5-, Tjp1-mRNA-Expression und zeigten Ocln- und Cdh5-mRNA-Expression bei C57BL/6-Mäusen nach NDP-MSH mp-Behandlung, was auf eine verbesserte BHS-Integrität hindeutet. Darüber hinaus ergaben trans-endotheliale elektrische Widerstandsmessungen (TEER) an murinen mikrovaskulären Endothelzellen des Gehirns (MBMEC), die mit TNFα und IL-1β behandelt wurden, nach Behandlung mit NDP-MSH mp einen erhöhten elektrischen Widerstand, was auf eine verbesserte Integrität der Endothelzellschickt hindeutet. Bemerkenswerterweise wurde dieser Effekt bei MBMEC, die aus MC1Re/e-Mäusen isoliert wurden, aufgehoben. Zusätzlich zeigten qPCR-Analysen eine erhöhte Cldn5- und Tjp1-Expression bei C57BL/6-Mäusen, während MBMEC aus MC1Re/e-Mäusen keine signifikanten Veränderungen aufwiesen, was auf einen MC1R-vermittelten Effekt hinweist. RNA-Sequenzierungen von CD45+ Zellen aus dem Gehirn von C57BL/6 Mäusen mit aktiver EAE zeigten eine verringerte Expression von Vegfa, das für den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor A kodiert, was auf eine Beteiligung an dem molekularen Signalweg hindeutet, der die Wirkung von NDP-MSH mp vermittelt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass NDP-MSH mp die BHS-Integrität bei EAE durch Bindung an MC1R verbessert und einen potenziellen therapeutischen Ansatz für neurodegenerative Erkrankungen wie MS bieten könnte. Weitere Untersuchungen des molekularen Mechanismus sind erforderlich. Die Entwicklung von PLGA-Nanopartikeln, die NDP-MSH enthalten, wird voraussichtlich zur Verbesserung der therapeutischen Ergebnisse beitragen.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	Multiple sclerosis (MS), NDP-MSH, Blood-brain barrier (BBB), Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), melanocortin 1 receptor (MC1R)
Subjects:	Technology, medicine, applied sciences > Medicine and health
Divisions:	Faculty of Medicine and Health Sciences > Department of Human Medicine
Date Deposited:	23 Jul 2025 09:14
Last Modified:	23 Jul 2025 09:14
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/7237
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-73183
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