Faculté des sciences

Anti-Nogo-A antibody treatment enhances functional recovery and sprouting of the corticospinal tract after spinal cord injury in adult primates

Freund, Patrick ; Wannier, Thierry (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2008 ; Nr. 1592.

After injury to the adult central nervous system (CNS), permanent deficits remain to a large part due to limited cell renewal, axonal regeneration and reestablishment of functional connectivity. Evidence indicate that the lack of axonal regeneration is partly due to the myelin-associated inhibitory factor Nogo-A. A therapeutical strategy to overcome this inhibition is to prevent the neurite... Plus

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    Zusammenfassung
    Eine vollständige Rückenmarksdurchtrennung führt zu einem totalen funktionellen Verlust jeglicher willentlicher Kontrolle unterhalb der Läsion. Die Ursache für diesen Verlust ist der limitierten Zellernneuerung und der ausbleibenen axonalen Regeneration zu zuschreiben. Erste Hinweise deuten daraufhin, dass die Präsenz von Myelin-assozierten inhibitorischen Wachstumsfaktoren, wie zum Beispiel Nogo-A, dafür verantworlich sind. Eine therapeutische Massnahme um diesen inhibitorischen Effekt entgegen zu wirken, ist die Applikation von Antikörpern welche diese Stoffe neutralisieren. Am Rattenmodel wurde erfolgreich gezeigt das nach einer Rückenmarksverletzung und einer zweiwöchigen Applikation eines neutralisierendes Antikörpers gegen das Protein Nogo-A, Nervenzellen dazu stimulierten wieder auszuwachsen und funktionelle Verknüpfungen herzustellen. Diese neuen Verbindungen ermöglichten den anti-Nogo-A behandelten Tieren im Vergleich zu Unbehandelten zu einer verbesserte Motorik. Das Ziel dieser These war es zu prüfen, ob die Translation dieser therapeutischen Anwendung am Primaten bevor es zur ersten klinischen Anwendung an querschnittsgelähmten Patienten gelangt. Der Translationschritt ist in sofern unumgänglich, da er zum einen erlaubt zu prüfen, ob die Neutralsierung und die folgliche Stimulierung von Nervenwachstum nicht irrtürmlicher Weise zu falschen Verbindungen führen könnte mit heftigen Nebenwirkung als Folge und zum anderen ob die Applizierung des Antikörpers am Primaten zu wessen Gruppe der Mensch zählt, funktioniert. Insgesamt wurden 13 adulten Makaken einer unilateralen zervikalen Läsion ausgesetzt. Sieben Tiere erhielten den neutralieserendem Antikörper gegen Nogo-A während vier Wochen und die Anderen sechs Tiere erhielten eine Kontrollantikörper Behandelung. Kontrollantikörper behandelte Tiere wiesen eine läsionsgrössen-abhängige motorische Genesung für einen Dexteritätstest auf mit sehr limitertem axonalen Wachstum des Kortikospinalen Tractes kaudal der Läsion. Im scharfen Gegensatz wiesen behandelte Tiere vermehrtes axonales Wachstum und eine vollständige funktionelle Erholung für diesen spezifischen Dexteritätstest auf (Kapitel 1, 2 und 3). Desweiteren führte die Neutrilaztion von Nogo-A zu einer verstärkten Reorganization des Kortikospinalen Trakt rostral der Läsion (Kapitel 4). Auf dem Nivieau des Kortex und des Pons wurden retrograde degenerative Veränderungen gemessen anhand der Zellgrösee und Anzal von Neuronen im motrischen Kortex und im Rotem Nucleus. In beiden untersuchten Arealen kam es zu eienr deutlichen vermindureung der Zellsomagrösse auf der lädierten Seite. Im Gegensatzt zum motorischen Kortex wo kein signifikanter Unterschied von Zell Anzahl gefunden wurde gab es zudem im Roten Nucleus eine deutlich Reduzierung der Anzahl von Neuronen auf der lädierten Seite. Diese degenerativen Vorgängen wurden nicht durch die anti-Nogo-A Behandlung vermindert (Kapitel 5 und 6). Zusammengefasst zeigen die Resultate dieser These dass eine Neutralization von einem Myelin-assoziertem Protein Nogo-A nach einer Rückenmarksverletzung zu einer verbesserten Motorik und vermehrtem axonalen Wachstum auf der Höhe der Läsion im adulten Primaten fürht, in Abwesenheit von Nebenwirkungen.
    Summary
    After injury to the adult central nervous system (CNS), permanent deficits remain to a large part due to limited cell renewal, axonal regeneration and reestablishment of functional connectivity. Evidence indicate that the lack of axonal regeneration is partly due to the myelin-associated inhibitory factor Nogo-A. A therapeutical strategy to overcome this inhibition is to prevent the neurite outgrowth inhibitor Nogo-A from interacting with its neural receptors by using antibodies specifically binding to Nogo-A, thereby neutralizing its action. Experiences in the rodent model subjected to spinal cord injury have shown that neutralizing Nogo-A, by using specific antibodies not only promotes axonal regeneration but also leads to significant functional recovery. The aim of this thesis was to investigate whether this treatment strategy also leads to axonal regeneration and functional recovery in non-human adult primates subjected to a partial section of the spinal cord. This assessment is a crucial step towards a safe clinical application. Thirteen macaque monkeys were subjected to a unilateral cervical lesion at the border between the C7 and C8 segments. A group received intrathecal injections of a control antibody whereas the other animals received a monoclonal antibody recognizing Nogo- A. Functional recovery was tested using several motor tasks mainly focusing on manual dexterity. Control antibody treated monkeys showed a recovery that depends on lesion size. In contrast, anti-Nogo-A antibody treated monkeys recovered better and even returned to pre-lesion score levels in a manual dexterity task (Chapters 2 and 3). We further investigated, using light-microscopy, if the process of functional recovery is paralleled by an anatomical reorganization of the injured corticospinal tract (CST). At the spinal level, the area rostral and caudal to injury was analyzed for axonal regeneration. Compared to control antibody treated monkeys, an enhanced number of fibers presumably due to regenerative sprouting was observed rostral to the lesion in anti-Nogo-A antibody treated monkeys. Caudal to injury, a higher cumulated axonal arbor length and a higher number of axonal swellings were observed in anti-Nogo-A treated animals (Chapters 2 and 4). We also investigated the consequences of the lesion on corticospinal (CS) and rubrospinal (RS) neurons and whether the anti-Nogo-A antibody treatment had an influence on these effects. For this purpose the number and size of CS and RS neurons were measured in both sides of the brain using light-microscopy in intact, in control antibody as well as in anti-Nogo-A antibody treated monkeys. At the level of the motor cortex the number of pyramidal neurons remains similar on both hemispheres, but their somata shrunk on the side opposite to the lesion. In this case, the neutralization of Nogo-A did not protect the cells from shrinkage. In the red nucleus, the lesion also induced shrinkage of the soma of the neurons detected in the contralesional magnocellular part of the red nucleus (RNm). In contrast to cortical level, here, the number of cells detected in the contralesional RNm was consistently lower to that in the ipsilesional RNm, suggesting either cell loss or shrinkage beyond detection. Thus, the neutralization of Nogo-A by antibody infusion at the lesion side did not prevent the phenomena of cell somata shrinkage nor cell disappearance (Chapters 5 and 6). In summary the results reported in this thesis demonstrate that the neutralization of the neurite outgrowth inhibitor Nogo-A promotes axonal regeneration on the level of the spinal cord in adult monkeys subjected to a unilateral spinal cord lesion. This effect is paralleled by significant functional recovery. However, histological changes in the red nucleus and motor cortex were not prevented or attenuated by the anti-Nogo-A antibody treatment.