Zellen des zentralen Nervensystems

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Zellen des zentralen Nervensystems
Neurovirologie
Cells
Neurons
Glia
Molekulare Virologie
Number
(x 1011)
Proportion
(%)
1
2 - 10
10 -50
90 - 98
© 2008 by Ruth Brack-Werner
ZNS-Zellen: Neuronen
Neurovirologie
Molekulare Virologie
© 2008 by Ruth Brack-Werner
ZNS-Zellen:Gliazellen
Neurovirologie
Oligodendrozyten:
Isolieren Axone durch Myelinscheiden.
Molekulare Virologie
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ZNS-Zellen: Gliazellen
Neurovirologie
Mikrogliazellen
Molekulare Virologie
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ZNS-Zellen: Gliazellen
Neurovirologie
Mikrogliazellen
Funktionen:
Gehirnständig Makrophagen;
Antigen Präsentation und Immunüberwachung.
Aktivierte Mikrogliazellen:
Beweglich;
Phagozytierend;
Produzieren neurotoxische
und proinflammatorische Substanzen.
Molekulare Virologie
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ZNS-Zellen: Gliazellen
Neurovirologie
Astrozyten
Molekulare Virologie
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ZNS-Zellen: Gliazellen
Neurovirologie
Astrozyten: Funktionen
Unterstützung neuronaler Funktionen:
Nährstofflieferant;
Aufrechterhaltung einer idealen „Umgebung“
für die neuronale Funktion:
- [K+]
- Entfernung toxischer Stoffen;
- Aufnahme von Neurotransmitter (Glutamat).
Molekulare Virologie
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ZNS-Zellen: Gliazellen
Neurovirologie
Astrozyten: Funktionen
Entwicklung:
Richtungsgeber für axonales Wachstum.
Immunolog. Funktionen:
Expression immunmodulatorischer Substanzen
(Zytokine/Chemokine) nach Aktivierung.
Abschirmung des Gehirns:
Erhaltung der Blut-Hirn und Blut-CSF Schranken;
Narbenbildung bei Verletzungen.
Molekulare Virologie
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ZNS-Zellen: Gliazellen
Neurovirologie
Neural Stem Cells
Definition: self-renewing, multipotent cells that can
differentiate into neurons, astrocytes and
oligodendrocytes
Molekulare Virologie
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ZNS-Zellen: Übersicht
Neurovirologie
1. Neuron/Zellkörper
3. Kapillare
2. Oligodendrozyt
5. Astrozyt
6. Ependymale
Zelle
4. Neuron/Axon
7. Microgliazelle
Molekulare Virologie
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Abschirmung des Gehirns
Neurovirologie
Blut-CSF Schranke
CSF = Cerebrospinalfluessigkeit.
Blut-Hirn Schranke:
Endothelzellen bilden eine enge Schicht,
mit sog. „tight junctions“ zwischen den Zellen,
die für viele Substanzen undurchlässig ist.
Molekulare Virologie
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Abschirmung des Gehirns
Neurovirologie
Zerebrospinalflüssigkeit
Umspült das Gehirn
Bildung durch die Choroid plexi der Ventrikel
aus Blut.
Ca. 300 - 500 ml/24 h;
Austausch mit Neuropil.
Molekulare Virologie
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Abschirmung des Gehirns:
Gehirn-CSF Schranke
Neurovirologie
Ventrikel
Choroid plexi:
In 3. und 4. Ventrikel;
gefäßreich;
Bildung und Aufnahme von CSF;
Molekulare Virologie
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Abschirmung des Gehirns
Blut-Hirn Schranke
Blood/brain barrier
pericyte
Neurovirologie
astrocyte
foot process
lumen
tight
junction
ventricle / CSF
ependymal
cells
basement
membrane
ependymo-glial
membrane
lumen /
blood
microglia
astrocytes
neuron
brain
parenchyma
glial-pial
membrane
pia mater
Molekulare Virologie
subarachnoid space / CSF
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Neurovirologie
Neurovirologie
Infektion des ZNS durch Viren
Molekulare Virologie
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Mechanismen der virus-assoziierten
Pathogenese im ZNS
Neurovirologie
Neuronen-Schäden - bzw. Tod.
Direkt
Zytotoxische Infektion von Neuronen (Tollwut)
Indirekt
Infektion von Gliazellen:
Oligodendrozyten:
Demyelinisierung (JC-Virus);
Mikrogliazellen:
Aktivierung zur Synthese von neurotoxischen Substanzen
Astrozyten:
Aktivierung;
Verlust von Eigenschaften, die essentiell für die
Funktionen von Neuronen sind.
Molekulare Virologie
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Wie kommen Viren in das ZNS?
Neurovirologie
Retrograder axonaler Transport
Tollwut, Herpesviren
Über das Blut
Überwindung bzw. Zerstörung der Blut-Hirn- bzw. der BlutCSF Schranken durch:
Infektion von Endothelzellen
Eindringen von infizierten Zellen
Eindringen von infektiösen Viruspartikeln.
Molekulare Virologie
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Retrograder und Anterograder
Transport über Axone
Neurovirologie
Aus “Principles of Virology”, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR, Skalka AM (Eds), 2004, ASM Press.
Molekulare Virologie
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Virusinfektion von Neuronen
Neurovirologie
Tollwutvirus
Rhabdoviridae: neg.Strang RNA Viren
Übertragung durch Tierbisse
Inkubationszeit 20 Tage bis drei Monate
Infektion führt zur Lähmung und Tod in fast
allen Fällen.
Impfung mit inaktivertem Virus.
z. B. Viruspräparationen aus infizierten
menschlichen Fibroblasten, inaktiviert durch
Behandlung mit β− Propiolakton; Verwendung
hauptsächlich in Europa und USA.
Molekulare Virologie
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Tollwutvirus
Neurovirologie
Lewis Body im Neuron: Replikationsstätte des Virus
Molekulare Virologie
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Tollwutvirus
Neurovirologie
Pathogenese
Voraussetzungen für die Pathogenese:
Virus muss ZNS erreichen;
Wanderungsgeschwindigkeit 50-100 mm/Tag;
Glykoprotein des Virus.
Neuron muss überleben:
Geringeres Apoptosepotential des Virus ist mit
höherer Pathogenität verbunden;
Herunterregulation der Virusreplikation und
Transkription.
Molekulare Virologie
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Virusinfektion von Neuronen
Neurovirologie
Poliovirus
Fam./Genus:
Picornaviridae/Enterovirus
Einzelstrang-RNA (+)
Übertragung von Mensch zu Mensch über
Nasen/Rachen Sekrete
Faekale orale Uebertragung (z.B. kontaminierte
Lebensmittel)
Verbreitung im Menschen:
Oropharynx und Darm;
Blut
ZNS (Neurone)]
Molekulare Virologie
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Poliovirus (Fortsetzung)
Neurovirologie
Inkubationszeit 7-14 Tage
Eindringen in das ZNS vermutlich über
retrograder axonaler Transport.
Virus vermehrt sich in erster Linie im
gastrointestinal Trakt.
Infektion führt zu Lähmungserscheinungen bei ca. 0.1 bis 1% d.
infizierten Personen (abhängig vom Virusstamm).
Zerstörung von motorischen neuronen.
Impfstoffe:
1. Formalin-inaktivertes Virus (Salk).
2. Lebend-Impfstoff: Mischung von
attenuierten Stämmen (Sabin).
Molekulare Virologie
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Infektion von Gliazellen durch Viren
Neurovirologie
Virusgenom Familie/Genus
Verteter
Neurale Zielzellen
Neg. ssRNA,
unsegment.
Paramyxoviridae
Morbillivirus
Masernvirus
Neuronen, Astrozyten
Oligodendrozyten.
Bornaviridae
Borna disease virus
Astrozyten
dsDNA
Papovaviridae
Polyomavirus
JC-Virus
Oligodendrozyten,
Astrozyten.
RNA/DNA
Retroviridae
„BLV-HTLV
Retroviren“
HTLV-I
Makrophagen, Microglia,
Astrozyten
HIV
Makrophagen, Microglia,
Astrozyten
Lentivirus
Molekulare Virologie
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Masernvirus
Neurovirologie
ZNS-Komplikationen
Auftreten
Inzidenz
nach Infektion (%)
Akute post-Infektions2-4 weeks
Masernenzephalitis (APME)
0,1*
Measles inclusion body
encephalitis (MIBE)
Monate
Immunsuppr.
Personen
Subacute sclerosing
panencephalits (SSPE)
2-10 Jahre
1/105*
Pathogen.
Autoimmun?
Persist. Inf.
Zell zu Zell
Verbreit. von
defekten
NukleoKapsiden.
-“-
*Inzidenz signifikant niedriger nach Masernimpfung
nach Schneider-Schaulies, J. et al., J Neurovirol. 1999, 613-622
Molekulare Virologie
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Masernvirus
Neurovirologie
Veränderte Genexpression während
der persistenten Infektion:
Verminderte Synthese von
viralen Hüllproteinen in
Astrozyten.
Zell-zu-Zell Transmission im ZNS.
Molekulare Virologie
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HTLV-I
Neurovirologie
Krankheit: HAM/TSP.
HTLV-assoziierte Myelopathie/Tropische spastische Paraparese.
Funktionelle Störungen des Rückenmarks führt zu
partiellen Lähmungen der unteren Extremitäten und krampfartige
Erscheinungen. Demylinisierung.
Inkubationszeit: 18 Wochen bis mehrere Jahre
Endemisch in Japan, Karibik, äquatorial Afrika, Südamerika.
Infiltration von immunaktiven Zellen:
Monozyten, Makrophagen, CD8+ T-Zellen.
Pathogenesemodell: Zerstörung von Virus-Antigen
präsentierenden Gehirnzellen durch
CTLs.
Molekulare Virologie
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JC-Virus
Neurovirologie
Krankheit: PML.
Progressive multifokale Leukoencephalopathie.
Mehrere Demylinisierungsherde, häufig mit Makrophagen-Infiltrate.
Symptome:
Demenz, halbseitige Lähmung, halbseitige Blindheit.
Krankheit i.d. Regel bei immunsupprimierten Personen. Über
80% aller Personen sind mit JC-Virus infiziert.
Diagnose: PET bzw. CT-Scan.
Tod: 4 - 12 Monate nach Diagnose.
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Neurovirologie
The human immunodeficiency virus (HIV)
and the central nervous system
Molekulare Virologie
© 2008 by Ruth Brack-Werner
Nachweis von HIV infizierten Zellen im ZNS
Neurovirologie
aus Kramer-Hämmerle, S. et al., VirusRes. 2005
Molekulare Virologie
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Possible entry routes of HIV into the brain
Neurovirologie
aus Kramer-Hämmerle, S. et al., VirusRes. 2005
Molekulare Virologie
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HIV-Neuropathology
Neurovirologie
Manifestation
Prevalence at autopsie*
HIV-positive microglia nodules
20 - 50%
Multinucleated giant cells
25 - 60%
Loss of neurons; dendrite alterations
>
Demyelinisation of white matter
70 - 90%
Astrocytosis
30 - 60%
90%
* Kolson & Pomerantz, 1996, J Biomed Sci 3: 389.
Molekulare Virologie
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HIV-Neuropathology:
Multinucleated giant cell
Neurovirologie
Cytoplasm
Nuclei
Courtesy of Prof. Jeanne Bell, Dept. of Pathology, The University of Edinburgh
Molekulare Virologie
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HIV-Neuropathology: Astrocytosis.
Neurovirologie
αGFAP
HIV encephalitis negative
HIV encephalitis positive
Courtesy
of Prof. Jeanne Bell, Dept. of Pathology, The University of
Edinburgh
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by Ruth Brack-Werner
Productive infection:
Microglia / Brain macrophages
Neurovirologie
Immunohistochemistry for HIV structural protein (p24gag)
Courtesy of Prof. Jeanne Bell, Dept. of Pathology, The University of Edinburgh
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Restricted infection: Astrocytes
Neurovirologie
Anti-Nef IHC
HIV-Encephalitis
HIV negative
Data used w/ kind permission from Jeanne Bell, Univ. of Edinburgh
Molekulare Virologie
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HIV host-cell interactions in the brain:
Potential envelope attachment molecules
Neurovirologie
Table 4. Potential envelope attachment molecules and HIV-1 receptors on the
surface of brain cells
Molecules
Expressed on
CD4 and CCR5 chemokine receptor
Macrophages/microglial cells
260 kDa protein
Astrocytes
65 kDa protein
Astrocytes
Human mannose receptor
Astrocytes
Galactosyl ceramide
Astrocytes, oligodendrocytes
DC-SIGN
BMVECs
L-SIGN
BMVECs
Cell surface proteoglycans
BMVECs
CXCR4
Neurons
Kramer-Hämmerle et al., 2005, VirusRes 111, 194-213
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Modell f. HIV-induzierte Neuropathogenese
Neurovirologie
Slide 37
aus Kramer-Hämmerle, S. et al., VirusRes. 2005
Molekulare Virologie
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CNS-modulatory cellular factors
in HIV-infected brains
Neurovirologie
Potentially harmful
Neurotoxic
Arachidonic acids
Glutamate, quinolinic acid,
L-cystein
Nitric oxide, superoxide
anions
SDF-1 and cleavage
product gen. by MP-2
Molekulare Virologie
Chemoattractive
MCP-1, IL-8
Pro-inflammatory
TNF-α, IL-1β, IFN-γ
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CNS-modulatory cellular factors
in HIV-infected brains
Neurovirologie
Potentially beneficial
Molekulare Virologie
Chemokines
MIP-1ß, RANTES,
fractalkine
Glutamate
transporters
EAAT-1 by macrophages
Cytokines
TGF-β
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Selected effects of HIV factors on brain cells
Env gp120
Tat
Nef
Neurons
Apoptosis
Depolarization;
Apoptosis;
Cell death;
Alters
electrophysiologic
al properties;
Astrocytes
Impaired
glutamate
uptake;
Promotes survival;
NO up;
Activation of cellsignalling
pathways;
Altered growth
properties
TNF-α up;
Promotes monocyte
infiltration (directly
and via MCP-1)
Release of proinflammatory
factors
Macrophages/ Release of
microglial cells TNF-α,
ß-chemokines
Aktuelle Fragen der Neurovirologie
Neurovirologie
Was sind die Konsequenzen von
chronischen Infektionen des Gehirns?
Wie kontrollieren Gehirnzellen die
Virusreplikation?
Wie kann man den Eintritt von Viren in
das Gehirn verhindern?
Mechanismen der Pathogenese von
Viren im Gehirn.
Wie kann man persistierende Viren
„ruhigstellen“ ?
Molekulare Virologie
© 2008 by Ruth Brack-Werner
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