Investigation of molecular mechanisms causing optic nerve damage in neuromyelitis optica spectrum disorder

Abstract

Neuromyelitis Optica Spectrum Disorders (NMOSD) is a rare, autoimmune, and inflammatory disease of the central nervous system, characterized by transverse myelitis and severe optic neuritis (ON). One of the fundamental clinical characteristics of NMOSD is ON. This study aims to elucidate the molecular mechanisms contributing to ON in NMOSD by examining the expression patterns of key biomarkers in Müller cells (MIO-M1), the principal glial cells of the retina, exposed to sera from various NMOSD patient groups. The focus is on identifying molecules causing retinal damage in NMOSD patients through the analysis of biomarkers such as AQP4, Kir4.1, CRALBP, VEGF, and IL-6. MIO-M1 cells were stimulated with sera from NMOSD patients (MOG-IgG+, AQP4-IgG+, and double-seronegative) to assess changes in biomarker expression, utilizing techniques such as immunofluorescence staining and RT-PCR to measure protein and mRNA levels of Kir4.1, AQP4, CRALBP, IL-6, and VEGF. The study revealed that AQP4-IgG+ autoantibodies induced a significant reduction in AQP4 expression in MIO-M1 Müller cells, which may contribute to retinal damage and the onset of ON. The degradation of Kir4.1 observed in cells stimulated with AQP4-IgG+ sera suggests a critical interplay between AQP4 and Kir4.1 in the pathogenesis of AQP4-IgG+ NMOSD. Although CRALBP expression was increased in MIO-M1 cells stimulated with AQP4-IgG+ patient sera, this change did not reach statistical significance. Conversely, no significant alterations in AQP4, Kir4.1, or CRALBP expression were noted in MIO-M1 cells stimulated with sera from MOG-IgG+ or double-seronegative patients. A notable increase in VEGF expression was observed in cells treated with double-seronegative NMOSD sera, highlighting distinct molecular mechanisms in this less-understood subgroup. Additionally, while IL-6 expression showed a slight increase in response to AQP4-IgG+ sera, this change was not statistically significant, and no considerable variation was observed across the other patient groups. These findings highlight the diverse molecular pathways leading to ON in different NMOSD subgroups, with distinct biomarker expression profiles, underscoring the complexity of NMOSDNöromiyelitis Optika Spektrum Hastalıkları (NMOSD), merkezi sinir sistemini etkileyen nadir görülen, otoimmün ve inflamatuar bir hastalıktır. Şiddetli optik nörit (ON) ve transvers miyelit ile karakterize edilir.NMOSD'nin en önemli temel klinik bulgularından biri ON'dir. Bu çalışma, NMOSD'de ON'ye katkıda bulunan moleküler mekanizmaları açıklamayı amaçlamaktadır. Bu bağlamda, farklı NMOSD hasta gruplarının serumlarına maruz bırakılan retina glial hücreleri olan Müller hücrelerinde (MIO-M1), bazı önemli biyobelirteçlerin ekspresyon seviyeleri incelenmiştir. Çalışmanın hedefi, NMOSD hastalarında retinal hasara neden olan moleküllerin tanımlanmasıdır. Bu amaç doğrultusunda, AQP4, Kir4.1, CRALBP, VEGF ve IL-6 gibi biyobelirteçlerin ekspresyon seviyeleri analiz edilmiştir. MIO-M1 hücreleri, AQP4-IgG+, MOG-IgG+ ve çifte-seronegatif NMOSD hasta serumları ile uyarılarak AQP4, Kir4.1, CRALBP, IL-6 ve VEGF biyobelirteçlerinin protein ve mRNA düzeyinde ekspresyon seviyeleri immünofloresan boyama ve RT-PCR teknikleri ile analiz edilmiştir. Çalışma sonuçları, AQP4-IgG+ otoantikorlarının MIO-M1 Müller hücrelerinde AQP4 ekspresyonunda anlamlı bir azalmaya yol açtığını ve bunun retinal hasara ve ON başlangıcına sebep olabileceğini göstermiştir. Ayrıca, AQP4-IgG+ serumları ile uyarılan hücrelerde gözlemlenen Kir4.1 ekspresyonundaki azalma, AQP4 ve Kir4.1 arasındaki etkileşimin NMOSD patogenezinde önemli bir rol oynadığını düşündürmektedir. Her ne kadar CRALBP ekspresyonu, AQP4-IgG+ hasta serumları ile uyarılan MIO-M1 hücrelerinde artış göstermiş olsa da, bu değişiklik istatistiksel olarak anlamlı bulunmamıştır. Bunlara ek olarak, MOG-IgG+ veya çifte-negatif hasta serumları ile uyarılmış MIO-M1 hücrelerinde AQP4, Kir4.1 ve CRALBP ekspresyonlarında anlamlı değişiklikler tespit edilmemiştir. Ancak, çifte-negatif NMOSD serumları ile uyarılan hücrelerde VEGF ekspresyonunda anlamlı bir artış tespit edilmiştir; bu durum, hakkında diğer gruplara göre daha az bilgimiz olan bu alt grubun kendine özgü patalojik moleküler mekanizmalarını işaret etmektedir. Ayrıca, IL-6 ekspresyonunda AQP4-IgG+ serumlarına yanıt olarak minimal bir artış gözlemlenmiş ancak bu değişiklik istatistiksel olarak anlamlı bulunmamıştır. IL-6 ekspresyonunda, diğer hasta gruplarında da anlamlı bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Bu bulgular, farklı NMOSD alt gruplarında ON gelişimine yol açan çeşitli moleküler mekanizmaları ve biyobelirteç ekspresyon profillerini vurgulayarak, NMOSD'nin karmaşık doğasını ortaya koymaktadır.