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Neurovirologie
© 2008 by Ruth Brack-WernerMolekulare Virologie
Zellen des zentralen Nervensystems
Cells Number Proportion(x 1011) (%)
Neurons 1 2 - 10
Glia 10 -50 90 - 98
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ZNS-Zellen: Neuronen
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ZNS-Zellen:Gliazellen
Oligodendrozyten:Isolieren Axone durch Myelinscheiden.
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Mikrogliazellen
ZNS-Zellen: Gliazellen
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MikrogliazellenFunktionen:
Gehirnständig Makrophagen;Antigen Präsentation und Immunüberwachung.
Aktivierte Mikrogliazellen:
Beweglich;Phagozytierend;Produzieren neurotoxische und proinflammatorische Substanzen.
ZNS-Zellen: Gliazellen
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Astrozyten
ZNS-Zellen: Gliazellen
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Astrozyten: Funktionen
Unterstützung neuronaler Funktionen:
Nährstofflieferant;
Aufrechterhaltung einer idealen „Umgebung“für die neuronale Funktion:
- [K+]- Entfernung toxischer Stoffen;- Aufnahme von Neurotransmitter (Glutamat).
ZNS-Zellen: Gliazellen
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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.
ZNS-Zellen: Gliazellen
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Neural Stem Cells
Definition: self-renewing, multipotent cells that can differentiate into neurons, astrocytes and oligodendrocytes
ZNS-Zellen: Gliazellen
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ZNS-Zellen: Übersicht
1. Neuron/Zellkörper
6. Ependymale Zelle
5. Astrozyt
4. Neuron/Axon
2. Oligodendrozyt
3. Kapillare
7. Microgliazelle
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Abschirmung des Gehirns
Blut-CSF SchrankeCSF = Cerebrospinalfluessigkeit.
Blut-Hirn Schranke:Endothelzellen bilden eine enge Schicht,mit sog. „tight junctions“ zwischen den Zellen,die für viele Substanzen undurchlässig ist.
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Zerebrospinalflüssigkeit
Ca. 300 - 500 ml/24 h;Austausch mit Neuropil.
Bildung durch die Choroid plexi der Ventrikel aus Blut.
Umspült das Gehirn
Abschirmung des Gehirns
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Abschirmung des Gehirns:Gehirn-CSF Schranke
Ventrikel
Choroid plexi:
In 3. und 4. Ventrikel;
gefäßreich;
Bildung und Aufnahme von CSF;
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© 2008 by Ruth Brack-WernerMolekulare Virologiesubarachnoid space / CSF
ventricle / CSF
brain parenchyma
lumen / blood
neuron
ependymal cells
microglia
ependymo-glial membrane
pia mater
glial-pialmembrane
Blood/brain barrier
basementmembrane
pericyte
lumen
tight junction
astrocytefoot process
astrocytes
Abschirmung des Gehirns Blut-Hirn Schranke
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Infektion des ZNS durch Viren
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Mechanismen der virus-assoziierten Pathogenese im ZNS
Indirekt
Infektion von Gliazellen: Oligodendrozyten:
Demyelinisierung (JC-Virus);Mikrogliazellen:
Aktivierung zur Synthese von neurotoxischen SubstanzenAstrozyten:
Aktivierung; Verlust von Eigenschaften, die essentiell für die Funktionen von Neuronen sind.
DirektZytotoxische Infektion von Neuronen (Tollwut)
Neuronen-Schäden - bzw. Tod.
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Überwindung bzw. Zerstörung der Blut-Hirn- bzw. der Blut-CSF Schranken durch:
Infektion von Endothelzellen
Eindringen von infizierten Zellen
Eindringen von infektiösen Viruspartikeln.
Wie kommen Viren in das ZNS?
Über das Blut
Retrograder axonaler TransportTollwut, Herpesviren
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Retrograder und Anterograder Transport über Axone
Aus “Principles of Virology”, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR, Skalka AM (Eds), 2004, ASM Press.
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Inkubationszeit 20 Tage bis drei Monate
Infektion führt zur Lähmung und Tod in fast allen Fällen.
Impfung mit inaktivertem Virus.
Virusinfektion von Neuronen
Übertragung durch Tierbisse
TollwutvirusRhabdoviridae: neg.Strang RNA Viren
z. B. Viruspräparationen aus infizierten menschlichen Fibroblasten, inaktiviert durch Behandlung mit β− Propiolakton; Verwendung hauptsächlich in Europa und USA.
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Tollwutvirus
Lewis Body im Neuron: Replikationsstätte des Virus
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Tollwutvirus
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.
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Virusinfektion von Neuronen
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)]
PoliovirusFam./Genus: Picornaviridae/Enterovirus
Einzelstrang-RNA (+)
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Poliovirus (Fortsetzung)
Inkubationszeit 7-14 TageEindringen in das ZNS vermutlich über retrograder axonaler Transport.
Virus vermehrt sich in erster Linie im gastrointestinal Trakt.
Infektion führt zu Lähmungs-erscheinungen 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).
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Virusgenom Familie/Genus Verteter Neurale Zielzellen
Neg. ssRNA, Paramyxoviridae Masernvirus Neuronen, Astrozytenunsegment. Morbillivirus Oligodendrozyten.
Bornaviridae Borna disease virusAstrozyten
dsDNA Papovaviridae JC-Virus Oligodendrozyten,Polyomavirus Astrozyten.
RNA/DNA Retroviridae„BLV-HTLV Retroviren“ HTLV-I Makrophagen, Microglia,
Astrozyten
Lentivirus HIV Makrophagen, Microglia,Astrozyten
Infektion von Gliazellen durch Viren
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ZNS-Komplikationen Auftreten Inzidenz Pathogen.nach Infektion (%)
Akute post-Infektions- 2-4 weeks 0,1* Autoimmun?Masernenzephalitis (APME)
Measles inclusion body Monate Immunsuppr. Persist. Inf.encephalitis (MIBE) Personen Zell zu Zell
Verbreit. von defekten Nukleo-Kapsiden.
Subacute sclerosing 2-10 Jahre 1/105* -“-panencephalits (SSPE)
Masernvirus
*Inzidenz signifikant niedriger nach Masernimpfung
nach Schneider-Schaulies, J. et al., J Neurovirol. 1999, 613-622
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Masernvirus
Veränderte Genexpression während der persistenten Infektion:
Verminderte Synthese von viralen Hüllproteinen in Astrozyten.
Zell-zu-Zell Transmission im ZNS.
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HTLV-I
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.
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JC-Virus
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.
Tod: 4 - 12 Monate nach Diagnose.
Diagnose: PET bzw. CT-Scan.
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The human immunodeficiency virus (HIV)
and the central nervous system
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Nachweis von HIV infizierten Zellen im ZNS
aus Kramer-Hämmerle, S. et al., VirusRes. 2005
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Possible entry routes of HIV into the brain
aus Kramer-Hämmerle, S. et al., VirusRes. 2005
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Manifestation Prevalence at autopsie*
HIV-positive microglia nodules 20 - 50%Multinucleated giant cells 25 - 60%Loss of neurons; dendrite alterations > 90%Demyelinisation of white matter 70 - 90%Astrocytosis 30 - 60%
HIV-Neuropathology
* Kolson & Pomerantz, 1996, J Biomed Sci 3: 389.
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Courtesy of Prof. Jeanne Bell, Dept. of Pathology, The University of Edinburgh
HIV-Neuropathology:Multinucleated giant cell
Cytoplasm
Nuclei
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HIV-Neuropathology: Astrocytosis.
HIV encephalitis negative HIV encephalitis positive
Courtesy of Prof. Jeanne Bell, Dept. of Pathology, The University of Edinburgh
αGFAP
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Productive infection: Microglia / Brain macrophages
Courtesy of Prof. Jeanne Bell, Dept. of Pathology, The University of Edinburgh
Immunohistochemistry for HIV structural protein (p24gag)
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Restricted infection: Astrocytes
Data used w/ kind permission from Jeanne Bell, Univ. of Edinburgh
HIV-Encephalitis HIV negative
Anti-Nef IHC
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HIV host-cell interactions in the brain:Potential envelope attachment molecules
Table 4. Potential envelope attachment molecules and HIV-1 receptors on thesurface 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
Slide 37
aus Kramer-Hämmerle, S. et al., VirusRes. 2005
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CNS-modulatory cellular factors in HIV-infected brains
TNF-α, IL-1β, IFN-γPro-inflammatoryMCP-1, IL-8Chemoattractive
SDF-1 and cleavage product gen. by MP-2
Nitric oxide, superoxide anions
Glutamate, quinolinic acid, L-cystein
Arachidonic acidsNeurotoxic
Potentially harmful
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CNS-modulatory cellular factors in HIV-infected brains
TGF-βCytokines
EAAT-1 by macrophagesGlutamate transporters
MIP-1ß, RANTES,fractalkine
Chemokines
Potentially beneficial
Selected effects of HIV factors on brain cells
Release of pro-inflammatory factors
TNF-α up;Promotes monocyte infiltration (directly and via MCP-1)
Release of TNF-α, ß-chemokines
Macrophages/microglial cells
Astrocytes
Neurons
Activation of cell-signalling pathways;Altered growth properties
Promotes survival;NO up;
Impaired glutamate uptake;
Cell death;Alters electrophysiological properties;
Depolarization;Apoptosis;
Apoptosis
NefTat Env gp120
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Aktuelle Fragen der 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“ ?