53
Virginia Commonwealth University VCU Scholars Compass eses and Dissertations Graduate School 2016 Pharmacological Inhibition of Cyclophilin Ameliorates Experimental Allergic Encephalomyelitis Zi L. Huang [email protected] Follow this and additional works at: hp://scholarscompass.vcu.edu/etd Part of the Neurology Commons © e Author is esis is brought to you for free and open access by the Graduate School at VCU Scholars Compass. It has been accepted for inclusion in eses and Dissertations by an authorized administrator of VCU Scholars Compass. For more information, please contact [email protected]. Downloaded from hp://scholarscompass.vcu.edu/etd/4294

Pharmacological Inhibition of Cyclophilin Ameliorates Experimental Allergic ... · 2017. 1. 13. · A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • Virginia Commonwealth UniversityVCU Scholars Compass

    Theses and Dissertations Graduate School

    2016

    Pharmacological Inhibition of CyclophilinAmeliorates Experimental AllergicEncephalomyelitisZi L. [email protected]

    Follow this and additional works at: http://scholarscompass.vcu.edu/etd

    Part of the Neurology Commons

    © The Author

    This Thesis is brought to you for free and open access by the Graduate School at VCU Scholars Compass. It has been accepted for inclusion in Thesesand Dissertations by an authorized administrator of VCU Scholars Compass. For more information, please contact [email protected].

    Downloaded fromhttp://scholarscompass.vcu.edu/etd/4294

    http://www.vcu.edu/?utm_source=scholarscompass.vcu.edu%2Fetd%2F4294&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPageshttp://www.vcu.edu/?utm_source=scholarscompass.vcu.edu%2Fetd%2F4294&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPageshttp://scholarscompass.vcu.edu?utm_source=scholarscompass.vcu.edu%2Fetd%2F4294&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPageshttp://scholarscompass.vcu.edu/etd?utm_source=scholarscompass.vcu.edu%2Fetd%2F4294&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPageshttp://scholarscompass.vcu.edu/gradschool?utm_source=scholarscompass.vcu.edu%2Fetd%2F4294&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPageshttp://scholarscompass.vcu.edu/etd?utm_source=scholarscompass.vcu.edu%2Fetd%2F4294&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPageshttp://network.bepress.com/hgg/discipline/692?utm_source=scholarscompass.vcu.edu%2Fetd%2F4294&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPageshttp://scholarscompass.vcu.edu/etd/4294?utm_source=scholarscompass.vcu.edu%2Fetd%2F4294&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPagesmailto:[email protected]

  •  

     

     

    Pharmacological Inhibition of Cyclophilin Ameliorates 

    Experimental Allergic Encephalomyelitis  

     

     

     A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science 

    in Physiology & Biophysics at Virginia Commonwealth University  

    By   

    ZI LING HUANG University of Virginia, B.A. Biology, 2014 

        

    Principal Investigator: UNSONG OH, M.D. VCU School of Medicine, Neurology 

               

    Virginia Commonwealth University Richmond, Virginia, 

    April, 2015   

  •  Acknowledgements 

     

    First and foremost, I would like to express my sincerest gratitude to my principal 

    investigator and research advisor, Dr. Unsong Oh. My interest in biological research 

    was sparked by a thirdyear course in my undergraduate career, Introduction to 

    Neurobiology. However, as a thirdyear transfer student with no research experience, I 

    was unsuccessful in my attempts at performing undergraduate research. I am extremely 

    thankful for the opportunity to learn from and work under Dr. Unsong Oh. Despite his 

    busy schedule as a research scientist and practicing neurologist, he worked with me 

    sidebyside and personally taught me all relevant research protocol, animalhandling, 

    and experimental techniques that I’ve conducted in the lab. He was alway available, 

    regardless of the hour, to answer my questions  even if it meant a two hour phone 

    conversation late into the night. I am grateful for his immense knowledge, guidance, 

    patience, and selfless dedication to my academic development.  

    I would also like to thank Dr. Carlos A. Villalba Galea and Dr. Margaret C. Biber 

    for serving as members of my advisory committee. Their feedback, insight and 

    suggestions have been integral to the development of my thesis.   

    Finally, I am forever indebt to my parents for their everlasting love and support in 

    the pursuit of my own dreams and ambitions.  

     

     

  •  

    Table of Contents 

     

    Acknowledgements…………………………………………………………. 1 

    Abbreviations………………………………………………………………… 4 

    Abstract……………………………………………………………………….. 6 

    Chapters 

    Introduction…………………………………………………………… 8 

    1.1 Multiple Sclerosis……………………………………….. 8 

    1.2 Etiology…………………………………………………… 8 

    1.3 Clinical Course…………………………………………… 9 

    1.4 Pathophysiology  Neuroinflammation………………… 10 

    Neuroinflammation  Immune Activation  

    Neuroinflammation  Leukocyte Trafficking  

    Neuroinflammation  CNS Inflammatory Cascade  

    Neuroinflammation  Demyelination  

    1.5 Pathophysiology  Neurodegeneration 17 

    Neurodegeneration  Axon damage  

    Neurodegeneration  Perturbation to AxonalIonic Homeostasis 

    Neurodegeneration  Mitochondrial Dysfunction 

    Neurodegeneration  Mitochondrial Permeability Transition 

    1.6 Cyclophilins as targets for MS therapy  NIM811 21 

  • Cyclophilin D 

    Cyclophilin A 

    1.7 EAE………………………………………………………. 24 

    Hypothesis….………………………………………………………... 26 

    Specific Aims……………………………………………………....… 27 

    Materials and Methods…………………………………………….. 28 

    Results……………………………………………………………….. 34 

    Discussion/Future directions………………………………………. 43 

    Literature Cited………………………………………………………………. 46 

    Vita…………………………………………………………………………….. 51 

     

     

     

       

  •  

    Abbreviations 

     

    CypA: Cyclophilin A 

    CypD: Cyclophilin D 

    CsA: Cyclosporin 

    EAE: Experimental Allergic (Autoimmune) Encephalomyelitis 

    NIM811: Nmethyl4isoleucinecyclosporin 

    MS: Multiple Sclerosis 

    RRMS: RelapsingRemitting Multiple Sclerosis 

    SPMS: Secondary Progressive Multiple Sclerosis 

    GWAS: Genome Wide Association Studies 

    Th: T helper 

    Treg: T regulatory 

    BBB: Blood Brain Barrier 

    TJ: Tight Junction 

    AJ: Adherens Junction 

    PBMC: Peripheral Blood Mononuclear Cells 

    MMP: Matrix Metalloproteinases 

    EMMPRIN: Extracellular Matrix Metalloproteinases Inducer 

    TIMP: Tissue Inhibitors of MMPs 

  • VDAC: VoltageDependent Anion Channels 

    NCLX: Isoform of Sodium Calcium Exchanger 

    ROS: Reactive Oxygen Species 

    RNS: Reactive Nitrogen Species 

    mPT: Mitochondrial Permeability Transition 

    mPTP: Mitochondrial Permeability Transition Pore 

    FAD: Focal Axonal Degeneration 

    PPIase: Peptidyl Prolyl cistrans Isomerase 

    CFA: Complete Freund’s Adjuvant  

    MOG: Myelin Oligodendrocyte Glycoprotein 

    DMSO: Dimethyl Sulfoxide 

    PEG: Polyethylene Glycol 

    BSA:  Bovine Serum Albumin 

     

     

     

       

  •  

     Abstract 

     

     

     

    Pharmacological Inhibition of Cyclophilin Ameliorates  Experimental Allergic Encephalomyelitis 

     

    By Zi Ling Huang 

     

     

     

    A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Physiology & Biophysics at Virginia Commonwealth University 

      

    Virginia Commonwealth University, 2015  

     Principal Investigator: Unsong Oh, M.D. VCU School of Medicine, Neurology 

     

     

     

    A subset of cyclophilins have been implicated in mechanisms of neuroinflammation and 

    neurodegeneration that contributes to the pathogenesis of Multiple Sclerosis. 

    Mitochondrial dysfunction leading to mitochondrial permeability transition plays a pivotal 

    role in axonal damage and disease progression in Multiple Sclerosis. Cyclophilin D 

    (CypD) is a crucial regulatory component of the mitochondrial permeability transition 

  • pore and it was demonstrated that the cyclophilin D knockout animals showed reduced 

    experimental allergic encephalomyelitis (EAE) clinical disease severity and axonal 

    injury. We investigated the effect of Nmethyl4isoleucinecyclosporin (NIM811), a 

    nonimmunosuppressive and nonselective cyclophilin inhibitor, on the course and 

    severity of EAE. EAE mice treated with NIM811 showed a significant reduction in 

    clinical disease severity compared to vehicle treated mice. FACS analysis performed 

    with the dissociated thoracolumbar spine showed that NIM811 treatment was 

    associated with a reduction in CNS macrophages but does not alter Thelper lineage 

    frequencies. In addition, we demonstrated NIM811’s effect on crude mitochondrial 

    fraction obtained from brain and liver homogenates of both wild type and CypD 

    knockout mice in order to determine drug specificity. Benefits observed from the 

    pharmacological inhibition of cyclophilin may lead to a novel MS therapy but NIM811’s 

    exact mechanism of action has yet to be elucidated.    

  • Introduction 

     

    1.1 Multiple Sclerosis 

    Multiple Sclerosis (MS) is the leading nontraumatic neurodegenerative disease of the 

    central nervous system in young adults  characterized by inflammation, axonal 

    damage, and demyelination. WHO recognizes MS as a global disease with 2.5 million 

    individuals affected worldwide [49] [10].  In the United States alone, MS affects more 

    than 350,000 individuals with an annual average cost of $47,215 per patient, mounting 

    to a national cost of $1.7 billion per year [11].  

    1.2 Etiology 

    The precise cause of MS is currently unknown. Numerous populationbased studies 

    comparing concordance rates between monozygotic and dizygotic twins suggest that 

    susceptibility to MS is genetically influenced [12]. Genomewide association studies 

    (GWAS) and concordance ratios from twin studies both suggest a polygenic nature for 

    the genetic susceptibility of MS [10] [12]. HLA DRB1 1501 is partially responsible for 

    coding the major histocompatibility class II molecules and confer the highest genetic risk 

    of MS but more than 103 other distinct genetic regions have been implicated with this 

    disease [13]. Additionally, other factors including ethnicity, geographic location, cigarette 

    smoking and even exposure to sunlight have been shown to influence risk of MS [14] 

    [15] [7]. A current hypothesis is that MS develops in individuals who are genetically 

    susceptible but the penetrance of disease is determinant on environmental factors [16].  

  • 1.3 Clinical Course 

    MS has a heterogeneous presentation in patients with 85% of them initially experiencing 

    a relapsingremitting course of MS (RRMS) [4]. Patients with RRMS will undergo 

    intervals of alternating disability and recovery. Within 25 years, 90% of patients 

    diagnosed with RRMS will develop into a secondaryprogressive phase (SPMS) 

    characterized by a permanent and gradual decline in neurological function (Figure A) 

    [4]. MS is currently viewed as a CNS disease involving both neuroinflammatory as well 

    as neurodegenerative mechanisms. In fact, there is still much debate between the 

    importance of the two general categories of mechanisms on the initiation and course of 

    disease [17]. Generally, neuroinflammatory mechanisms associated with plaque 

    formation and demyelination are thought to be responsible for the the 

    relapsingremitting phase of MS whereas neurodegenerative mechanisms involved in 

    axonal damage results in the permanent neurological defects seen in secondary 

    progressive MS [18]. 

  • 10 

     

    Figure A  Common presentation of MS in patients [16] 

    1.4 Pathophysiology  Neuroinflammation 

    Inflammation is associated with MS at all stages of the disease, especially during acute 

    and relapsingremitting stages of MS. The overall sequence of neuroinflammatory 

    events in MS includes immune activation, leucocyte trafficking, CNS inflammation, and 

    the resulting CNS demyelination that results in neurological symptoms.  

  • 11 

    Leucocyte infiltration into the CNS is a characteristic feature of MS and defines lesional 

    disease activity in MS [8]. Activated autoimmune T cells have been known to play an 

    important role in the pathogenesis of MS but they are not the sole cause of 

    demyelination. The importance of CD4+ T helper cells (Th), microglia, oxidative stress, 

    and cell death in causing demyelination and neurodegeneration have all been 

    highlighted in a recent comparative gene expression analysis [9].  Therefore, other 

    adaptive immune responses and innate immune responses also play an integral role in 

    the pathogenesis of MS [19].  

    ❖ Neuroinflammation  Immune Activation 

    Whether the initial trigger for MS happens in the periphery or the CNS is debated. The 

    CNSextrinsic model supports the idea that autoreactive T cells are first activated in the 

    periphery and then infiltrates into the CNS along with other leukocytes. As part of their 

    maturation, there is negative selection for autoreactive T cells in the medulla of the 

    thymus. This process, however, is not perfect and autoreactive T cells could still escape 

    into circulation. Regulatory T cells (Treg) are essential in suppressing autoreactive T cells 

    since rampant autoimmunity is observed in individuals with dysfunctional Treg i.e. IPEX 

    (Immunodysregulation polyendocrinopathy enteropathy xlinked) syndrome. Therefore, 

    differentiated T cells can lose their peripheral tolerance due to intrinsic factors 

    (molecular mimicry, bystander activation, or T cell receptor coexpression with varying 

    specificities) and/or extrinsic factors such as regulatory T cell (Treg) dysfunction [19]. 

  • 12 

    On the other hand, the CNSintrinsic model may also explain disease development and 

    a CNS inflammatory cascade where the infiltration of activated leukocytes occur as a 

    secondary effect [16]. This could be due to a CNS viral infection or exposure to toxins. 

    CNS injury results in release of pathogen or damageassociated molecular patterns 

    which elicit an immune response  as suggested in Alzheimer’s and Parkingson’s 

    disease [20]. In the CNSintrinsic model, the CNS injury, whether from a viral infection 

    or toxic exposure, is the initial trigger and the inflammation is a response to injury.   

    Supporting the CNSextrinsic model, Alzheimer’s and Parkingson’s disease have very 

    little shared genetic associations with MS [21] [22] and candidate genes implicated in 

    multiple sclerosis are mostly immunological  sharing a considerable overlap of 

    associated regions with other autoimmune diseases [13]. Additionally, the CNSextrinsic 

    model of disease initiation is adopted in the active induction of experimental 

    autoimmune encephalomyelitis, an animal model of MS.  

    ❖ Neuroinflammation  Leukocyte Trafficking 

    The leakage or breakdown of the bloodbrain barrier (BBB) is a hallmark of multiple 

    sclerosis where increased permeability of BBB is necessary for the CNS infiltration of 

    activated leukocytes [17]. Peripheral activation and infiltration of Thelper cells, 

    specifically autoreactive Th1 and Th17 cells, are integral in the pathogenesis of MS and 

    are suggested as key players in BBB disruption [19]. Th1 and Th17 can be respectively 

    distinguished by their signature cytokines of IFNᵯ� and IL17A with a subset of lesional 

  • 13 

    CD4+ Th cells having an intermediate phenotype with expression of both biomarkers 

    [23].  

    Soluble factors such as inflammatory cytokines, reactive oxygen species, and enzymes 

    can facilitate migration of leukocytes into the CNS by modulating BBB function. 

    Proinflammatory cytokines such as IFNᵯ� affect cellular distribution of tight junctions (TJ) 

    and adherens junctions (AJ) to increasing paracellular permeability of the BBB 

    endothelial cells [Larochelle et al]. IL17 down regulates occludin (part of the TJ 

    complex) and disrupts zona occludens 1 (responsible for anchoring the TJ complex) to 

    increase BBB permeability [Larochelle et al]. Additionally, the initial CNS infiltration of 

    leukocytes will enhance permeability in favor of subsequent migration through the BBB 

    [Larochelle et al].  

    Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) are known to express and secrete 

    extracellular MMP inducer (EMMPRIN aka CD147) [24]. Matrix metalloproteinases 

    (MMPs) are endopeptidases responsible for the degradation of components in the ECM. 

    MMPs are initially expressed as inactive zymogens regulated by TIMPs (tissue 

    inhibitors of MMPs). Both activated T cells and macrophages are known to secrete 

    MMPs in response to inflammatory cytokines.  

    After the diapedesis of CNS infiltrating leukocytes across the endothelium, there are two 

    basement membranes that must be crossed before entering the CNS parenchyma 

    (Figure B) [24]. In patients with RRMS, subgroups of MMP mRNAs are elevated while 

    TIMP levels remain similar to control [Larochelle et al]. MMP activity is known to 

  • 14 

    degrade junctional complex proteins and cleave anchoring proteins of the parenchymal 

    basement membrane [Larochelle et al]. 

     

    Figure B  Basement membranes after diapedesis [25] 

    While the endothelial basement membrane can be readily crossed, the proteolytic 

    activity of MMPs are required to transmigrate the glia limitans [24]. The interaction of 

    extracellular cyclophilin A with EMMPRIN will result in the activation of MMPs. The 

    inhibition of EMMPRIN have been shown to attenuate disease severity seen in EAE 

    mice [Figure E].  

    ❖ Neuroinflammation  CNS inflammatory cascade 

    CNS infiltrating immune cells are detected in early lesions of MS. The most abundant of 

    these CNS infiltrating immune cells are macrophages, followed by CD8 T cells, CD4 T 

    cells, B cells, and plasma cells [16]. At this stage, apart from the focal lesions, damage 

    to the CNS is relatively minimal. With disease progression, more inflammatory T and B 

    cells will infiltrate into the CNS along with the activation of microglia and astrocyte, 

  • 15 

    resulting in myelin and axonal damage with a noticeable atrophy of white and grey 

    matter [26].  

    Among CNS infiltrating leukocytes, the ratio of B cells and plasma cells will increase 

    with disease progression but T cell composition remains relatively similar while 

    microglia and macrophages are chronically activated [27]. Not only does the number of 

    CNS infiltrating CD8+ cytotoxic T cells exceed that of CD4+ Th cells, their prevalence is 

    strongly correlated with the extent of axonal damage [27]. Myelinspecific CD8+ T cells, 

    with the help of monocytederived dendritic cells, can also be readily activated by 

    epitope spreading in the CNS [29]. In addition to the direct cytotoxic function of CD8+ T 

    cells on myelin and associated oligodendrocytes, these T cells can exacerbate CNS 

    inflammation by the production of IFNy and IL7 cytokines in the presence of apoptotic 

    epitopes [30].  

    CD20 is the Blymphocyte antigen which increases in concentration on maturing B cells 

    until final differentiation into a plasma cell. Phase II clinical trials of CD20 specific 

    monoclonal antibody treatment (rituximab or ocrelizumab) reduces the rate of relapse of 

    MS [16]. This treatment do not affect terminally differentiated plasma cells but do 

    deplete other subsets of B cells, suggesting an important contribution of B cells to the 

    pathogenesis of MS  possibly through production of proinflammatory IL6 cytokine and 

    B cell mediated antigen presentation [31].  

    There are supporting evidence for functionally distinct, origindependent populations of 

    macrophages. Microglia and macrophages are both mononuclear phagocytes. They are 

  • 16 

    the dominant immune cell types located in lesions associated with MS. As observed in 

    EAE, the monocytederived macrophages are attributed to the destruction of myelin, 

    release of proinflammatory cytokines, and MMP activation whereas the 

    microgliaderived macrophages promote recovery and clear up myelin and other debris 

    [32]. In the presence of constant inflammation implicated by proinflammatory T cells as 

    well as the complement system, microglia will adopt a proinflammatory phenotype [19]. 

    Activity and progression in MS lesions could be identified by phagocyte content, 

    specifically the degraded myelin products [33]. 

    ❖ Neuroinflammation  Demyelination 

    CNS function is dependent on the network of neuronal cells that communicate through 

    an electrochemical process. A primary function of myelin is to increase the effectiveness 

    and speed of electrical signaling by saltatory propagation instead of the slower, 

    continuous impulse that takes place in unmyelinated fibers. Demyelination in MS occurs 

    as a result of the autoimmune response against myelin and nonmyelin antigen 

    mediated by CNS infiltrating leukocytes [18]. Aside from T cell and B cell mediated 

    mechanisms of demyelination, macrophages and activated microglia release 

    proinflammatory cytokines including nitric oxide and tumor necrosis factora that have 

    been shown to play an integral role in demyelination and oligodendrocyte death in vitro 

    [34]. Once demyelination occurs, the axon’s ability to propagate action potential is 

    impaired. The associated axon would then be at risk for damage and degeneration [4]. 

    Demyelination results in a wide spectrum of neurological disorders consistent with the 

    signs and symptoms of MS patients [35]. Lesions seen in MS patients are the 

  • 17 

    visualization of focal demyelination in white and grey matters of the CNS [34]. While the 

    histopathological features of white matter lesions and grey matter lesions differ, they 

    can both be identified by the presence of focal demyelination [36].  

    1.5 Pathophysiology  Neurodegeneration 

    In the presence of chronic antigen exposure, central tolerance and peripheral tolerance 

    may result in immune cell exhaustion [Peterson]. The phenomenon of exhaustion is 

    seen in MS where, regardless of therapy, CNS infiltrating leukocytes will eventually 

    decrease [16]. However, the chronic neurodegeneration and progression of MS will 

    continue even in the absence of CNS infiltrating leukocytes, highlighting the importance 

    of neurodegeneration in the context of disease progression [16].  

    ❖ Neurodegeneration  Axon damage 

    Axonal damage and loss in MS was reported as early as 1936 [4]. More recently, 

    identification and investigation of axonal swelling, transection, and wallerian 

    degeneration have resulted in a paradigm shift in MS research [4]. At the onset of 

    disease in MS, axon transection and damage will occur on demyelinated axons  

    identifiable by neurofilament protein dephosphorylation as well as the accumulation of 

    transport proteins, Ntype calcium channels, and metabotropic glutamate receptors [4]. 

    Phagocytes are found in close proximity to damaged axons with a positive correlation 

    between the number of phagocytes and extent of acute axonal damage [33]. While 

    neurofilaments can be seen in these phagocytes, it is unclear whether they are 

    attacking the axon or merely clearing debris [4]. However, activated microglia and 

  • 18 

    macrophages contribute to oxidative stress, which is implicated as a damage 

    mechanism for both grey and white matter pathology in MS [33].  After initial axon 

    transection, Wallerian degeneration of the damaged axon will occur distal to the initial 

    damage, but the empty myelin will remain  forming ovoids [4]. New cortical lesion 

    formations are more likely to occur in areas connected to previous white matter damage 

    [37]. It is now recognized that axonal degeneration is the major determinant for 

    permanent neurological dysfunction in MS patients [4]. However, axonal damage and 

    degeneration could remain “silent” until neurodegenerative mechanisms exacerbate the 

    damage and/or the CNS is unable to compensate for physiological defects [37].  

    ❖ Neurodegeneration  Perturbation to axonalionic homeostasis 

    Oligodendrocytes and associated myelin is essential for the longterm health and 

    survival of axons. After demyelination, as a compensatory response for the restoration 

    of action potential conduction, sodium channels clustered at the Nodes of Ranvier will 

    be scattered diffusely along the demyelinated segments to restore neurological function 

    [4]. In inflammatory white matter lesions, there is a reduction in axoplasmic ATP 

    production [37]. The ion gradient necessary for conduction of neuronal signaling is 

    maintained by the sodiumpotassium ATPase. Having the largest consumption of ATP 

    in the CNS, the normal function of the sodiumpotassium ATPase is reduced in areas of 

    lesion[38]. Elevated levels of intraaxonal sodium will reverse the normal function of the 

    sodiumcalcium exchanger [38]. Consequently, the elevation in intraaxonal calcium will 

    could impair normal mitochondrial function and reduced energy production. This “virtual 

    hypoxia” or the imbalance between the demand and supply of energy would result a 

  • 19 

    perpetual cycle of degeneration from reduced energy production, axonal transport, and 

    elevated intraaxonal calcium levels [38].  

    ❖ Neurodegeneration  Mitochondrial dysfunction 

    Mitochondrial dysfunction is central to the current hypothesis of molecular mechanisms 

    leading to neurodegeneration and disease progression in MS [5]. A major function of 

    mitochondria is its role in cell survival, partially by the regulation of calcium homeostasis 

    [5]. Mitochondria will sequester intracellular calcium when it exceeds a certain 

    threshold; voltagedependent anion channels (VDAC) and a uniporter are responsible 

    for calcium import through the outer membrane and the sodiumcalcium exchanger 

    allows for calcium import through the inner membrane [39].  Calcium is slowly released 

    once intracellular calcium levels returns to normal  possibly through an isoform of 

    sodiumcalcium exchanger (NCLX) [39]. In the environment of chronic inflammation 

    presented in MS, the production of reactive oxygen and nitrogen species (ROS and 

    RNS) are suggested to negatively impact mitochondrial function by the accumulation of 

    mitochondrial DNA mutations [28] and the inhibition of mitochondrial electron transport 

    [5]. Normally, axonal function and transport has a high energy demand. The 

    compensatory ion channel redistribution on demyelinated axons in the presence of 

    excess glutamate released during neuronal injury could place excessive stress on 

    mitochondrial functions [40]. When ATP production could not keep up with demand, 

    intraaxonal calcium levels will increase and mitochondrial dysfunction could occur.  

    ❖ Neurodegeneration  Mitochondrial permeability transition 

  • 20 

    Excessive intramitochondrial calcium could increase ROS production, release 

    cytochrome c, inhibit ATP synthesis and induce mitochondrial permeability transitions 

    [41]. The mitochondrial permeability transition (mPT) is characterized by a sudden 

    increase in membrane permeability of ions and solutes due to opening of a 

    nonselective megachannel termed mitochondrial permeability transition pore (mPTP) 

    [41]. Evidence from in vitro studies suggest that the mPT results in a water flux across 

    the inner membrane due to osmotic balance  resulting in swelling, outer membrane 

    rupture and release of cytochrome c [42]. Enlarged mitochondria and focal axonal 

    degeneration (FAD) preceding demyelination has been observed in EAE mice [4]. While 

    the molecular components of mPTP is still under investigation, cyclophilin D has been 

    recognized as a component of mPTP that controls calcium dependent opening of the 

    transition pore and the inhibition of which may influence mitochondrial dysfunction, and 

    consequently, axonal injury in MS and EAE [6].  

    mPT was viewed as an invitro artifact due to the large estimated pore radius of 1.4 nm 

    and its implication in principles of chemiosmosis, that is, until the discovery that 

    cyclosporin A (CsA) inhibits mPT [42]. CsA is is an immunosuppressive agent that 

    targets cyclophilins, a family of peptidylprolyl cistrans isomerases. Cyclophilin D 

    (CypD) is a unique class of cyclophilins found in mammals  coded by the Ppif gene in 

    mice [42]. CypD is believed to serve as a calcium sensitive regulator of mPTP by 

    decreasing the threshold of intramitochondrial calcium necessary for the opening of 

    mPTP and mPT. CsA binds matrix cyclophilin D (CypD) and this inhibition corresponds 

    to an inhibition of mPT by increasing relative calcium insensitivity [Bernardi et al]. 

  • 21 

    Mitochondrial permeability transition marked by the opening of mPTP will result in, 

    among other molecules, the release of sequestered intramitochondrial calcium, serving 

    to further aggravate mechanisms of neurodegeneration. The elevated calcium levels 

    could trigger the activation of calciumdependent proteases (i.e. calpain) to eventually 

    result in neuronal cell death and release of associated inflammatory agents [4].  

    1.6 Cyclophilins as targets for MS therapy  NIM811 

    Cyclophilins make up a highly conserved subgroup of immunophilins, named by their 

    binding to immunosuppressant molecules such as cyclosporin A [43]. Most cyclophilins 

    exhibit diverse cellular locations and possess a peptidyl prolyl cistrans isomerase 

    (PPIase) activity (Figure C) with an active role in protein folding, trafficking, and 

    modulating protein functions [43]. As aforementioned, among the different classes of 

    cyclophilins, cyclophilin A and D are respectively implicated in mechanisms of 

    neuroinflammation and neurodegeneration in the context of multiple sclerosis. 

     

  • 22 

    Figure C  peptidyl prolyl cistrans isomerase activity of cyclophilins [43] 

    Nmethyl4isoleucinecyclosporin (NIM811) is a structural and functional analogue of 

    cyclosporin that retains its functional property and pharmacokinetic profile with similar 

    oral bioavailability similar to CsA (Figure D) [44]. However, it’s modification makes it 

    nonimmunosuppressive, significantly decreasing the toxicity of CsA [44].  

     

    Figure D  Structural formulas for Cyclosporin A and NIM811 [Hopkins et al] 

    ❖ Cyclophilin D  Mitochondrial dysfunction 

    Contemporary therapies target the relapsingremitting or inflammatory phase of MS by 

    means of immunomodulatory drugs including Natalizumab and Fingolimod. Their 

    mechanism of function is focused on the impediment of leukocyte infiltration into the 

    CNS [47] [48]. These therapies are effective in reducing the rate of relapse and new 

    MRI lesion formation, but have broad sideeffects and cannot effectively prevent the 

    progression of disease [1] [2]. Therefore, investigating neurodegenerative mechanisms 

    responsible for permanent neurological defects of progressive MS is crucial for the 

    development of an effective therapy.  

  • 23 

    Effect of NIM811 in the background of EAE have not been investigated but Forte et al 

    demonstrated that cyclophilin D knockout mice showed markedly reduced clinical 

    disease severity in EAE (Figure F). If NIM811 could inhibit the activity of cyclophilin D 

    and increase the threshold for calcium dependent activation of mitochondrial 

    permeability transition, it may ameliorate mechanisms of neurodegeneration and serve 

    as a potential therapy against progressive MS.  

    ❖ Cyclophilin A  Leukocyte trafficking 

    Extracellular cyclophilin A functions as a chemotactic factor for CNS leukocyte 

    infiltration via interaction with EMMPRIN and the subsequent activation of MMPs [24]. 

    Intraperitoneal injection of an antiEMMPRIN functionblocking antibody was shown to 

    attenuate EAE disease severity in mice (Figure E). Alternatively, the inhibition of 

    cyclophilin A by NIM811 could exhibit a similar effect on the reduction of MMP activation 

    to limit leukocyte infiltration and ameliorate disease severity in EAE mice.  

     

    Figure E  Inhibition of CD147 ameliorates EAE severity [24] 

     

  • 24 

    1.7 EAE 

    Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) is the most common and 

    wellstudied animal model of MS [46]. EAE could be induced in many species of varying 

    genetic backgrounds through an active immunization against a self CNSderived 

    antigen or a passive transfer of autoimmune T cells [46]. In mice, EAE is characterized 

    by an ascending paralysis starting from the tail and progressing through the hindlimbs to 

    an eventual forelimb paralysis. Much like MS, EAE is also a complex disease with 

    interactions between mechanisms of neurodegeneration and immunopathology to allow 

    for the approximation of key pathological features seen in MS [45]. In Figure F, the 

    course of EAE is dissected into three phases, marked by A, B, and C. Segment A 

    corresponds to immune activation while neuroinflammation and leukocyte trafficking 

    occurs in segment B. Neurodegeneration, demyelination, axonal injury and 

    mitochondrial dysfunction could be observed in segment C. This general 

    compartmentalization allows for the approximation of efficacy by specific therapeutic 

    agents targeting distinct mechanisms contributing to MS pathology. For instance, in 

    figure F, cyclophilin D is believed to contribute to the neurodegenerative mechanisms of 

    mitochondrial dysfunction implicated in progressive MS. As observed, knocking out 

    cyclophilin D did not affect the onset and initial severity of disease but there was a 

    significant attenuation of EAE clinical disease severity in segment C. Conversely, in 

    figure E, inhibition of EMMPRIN activity is thought to impede lymphocyte infiltration and 

    a corresponding drop in clinical disease severity is seen at the onset and initial severity 

    of EAE.  

  • 25 

     

    Figure F  Course of EAE in WT vs CypD KO mice [5] 

     

     

     

       

  • 26 

     

    Hypothesis 

     

     

    Cyclosporin A was shown to inhibit mechanisms of mitochondrial dysfunction by direct 

    inhibition of cyclophilin D and increasing the threshold of intramitochondrial calcium 

    levels necessary for mPT. Knocking out cyclophilin D in EAE mice reduced their clinical 

    disease severity [5]. Preliminary data from our lab indicated that administering a 

    cyclophilin inhibitor (NIM811) in wild type EAE mice also reduced EAE clinical disease 

    severity. We hypothesized that NIM811’s mechanism of action is on the direct inhibition 

    of cyclophilin D and may mitigate process of neurodegeneration in MS. If that is the 

    case, we should see increased calcium retention capacity in mitochondria when NIM811 

    is applied in vitro and in vivo. Additionally, it should have no effect on the course of EAE 

    in cyclophilin D knockout mice.  

     

     

       

  • 27 

    Specific Aims 

     

     

    S.1 Define the effect of NIM811 on a cyclophilin Ddependent function  

    Hypothesis: The cyclophilin inhibitor NIM811 reduces severity of EAE through a 

    cyclophilin Ddependent mechanism.  

    EAE will be induced in wild type and cyclophilin D knockout animals to verify the 

    reduction in clinical disease severity. Specific function of NIM811 on cyclophilin D will be 

    investigated in vitro and ex vivo through mitochondrial calcium retention capacity 

    assays. Cyclophilin D will be quantified by western blots. The effect of NIM811 on 

    cyclophilin D knockout animals in the context of EAE will be investigated.  

     

    S.2 Investigate the effect of NIM811 on a cyclophilin Adependent mechanism 

    Hypothesis: The cyclophilin inhibitor NIM811 reduces severity of EAE through a 

    cyclophilin Adependent mechanism. 

    Leukocyte infiltration into the CNS will be assess by flow cytometry. Effect of NIM811 on 

    cyclophilin A knockout mice in the context of EAE will be investigated.  

     

       

  • 28 

    Materials and Methods 

     

    Experimental Autoimmune Encephalomyelitis 

     

    Preparation 

    C57BL/6 mice were prepared for active induction after maturing to 6 to 10 weeks 

    of age. Pairs of mice were established based on sex, age, and kinship. Cohorts of 

    NIM811 or VC treatment were then determined by random chance (i.e. coin flip). Mice 

    were handled on at least three separate days prior to induction. Animal handling 

    included scoring for clinical disease severity and measurement of body weight.  

    Complete Freund’s Adjuvant (CFA) was prepared with 100mg of heatkilled 

    myobacterium (M. Tuberculosis H37 RA: Difco #263910 6x10 ml) in 10ml of Incomplete 

    Freund’s Adjuvant (Difco #231141 6x100mg). Myelin Oligodendrocyte Glycoprotein 

    (MOG3555, MEVGWYRSPFSRVVHLYRNGK, Anaspec. 5mg. Cat# 601305) was diluted 

    with sterile PBS to 4mg/ml. Emulsification equipment was first lubricated with 200ul of 

    CFA. Equal parts of MOG and CFA were then manually emulsified using glass syringes 

    and emulsifying needles until viscous and white in color. 1 ml syringes were filled with 

    emulsifications and 25G needles were attached. Final concentration of MOG/CFA was 

    2mg/ml MOG3555 and 5mg/ml M. Tb/CFA. Pertussis toxin (Cat# 180. 50 µg. List 

    Biological Laboratories, Inc.) was diluted with sterile PBS to 100µg/ml. Working solution 

    of 1.5 µg/ml were diluted with sterile PBS and a 27G needle was attached to syringe.  

     

  • 29 

    Induction 

    Mice was anesthetized by placement into a chamber with isoflurane soaked 

    nestlet/cotton gauge. 100ul of MOG/CFA emulsion were administered subcutaneously 

    over the shoulder for a total of 300ug of MOG3555 and 500ug of CFA. Then, 300ng of 

    pertussis toxin in 200ul of PBS was administered intraperitoneally. Pertussis toxin 

    injection is repeated 48 hours later.  

    Scoring 

    From day five postinduction, EAE clinical disease severity and weight 

    measurements were monitored daily. After onset of disease, mice were handled gently, 

    especially avoiding swollen areas. Clinical manifestations of EAE were scored on a 

    scale of 05.  

    0  No clinical signs 

    1  Limp tail or loss of righting reflex 

    2  Limp tail and loss of righting reflex 

    3  Partial hindlimb paralysis 

    4  Complete hindlimb paralysis 

    5  Forelimb paralysis and death 

    Daily injections of NIM811 (100mg/kg) or VC were administered intraperitoneally 

    after onset of disease. NIM811 crystals were reconstituted in dimethyl sulfoxide (DMSO, 

    SigmaAldrich) and diluted with polyethylene glycol (PEG400, SigmaAldrich) in a 1:1 

    ratio. Vehicle control consisted of DMSO and PEG400 in a 1:1 ratio. Once EAE mice 

  • 30 

    reached a clinical score of 3 or higher, moist mice chow were placed inside cage and 

    1ml of 0.9% NaCl were administered daily.  

     

    Mitochondrial Calcium Retention Capacity Assay 

     

    Mitochondria isolation 

    Brain and liver were extracted from mice and manually homogenized in 5 mL of 

    mitochondrial isolation buffer (0.2M mannitol, 50mM sucrose, 1mM EDTA, and 10mM 

    HEPES, pH 7.4). Homogenate was then transferred into 2 mL microcentrifuge tubes 

    and centrifuged at 1,300 x g for 10 minutes at 4oC. Supernatant was recovered and 

    transposed into clean microcentrifuge tubes for repeated centrifugation at 1,300 x g for 

    5 minutes at 4oC to ensure absence of pellet fragmentation. 

    Resulting supernatant from second centrifugation was collected into 50 mL 

    conical tubes. Samples were balanced to +/ 0.01g and centrifuged at 17,000 x g for 15 

    minutes at 4oC. Supernatant was aspirated to isolate pellet containing mitochondria 

    fraction. Pellet was then resuspended in 5 mL KCl buffer without EDTA/EGTA for 

    calcium retention assay (130mM KCl, 2 mM KH2PO, 3 mM HEPES, 2 mM MgCl2) and 

    underwent final centrifugation at 17,000 x g for 15 minutes at 4oC. Supernatant was 

    once again aspirated and pellet was resuspended in 250 mL of KCL buffer for 

    concentrated mitochondrial suspension. 

    Following crude mitochondrial isolation, protein concentration was measured 

    using BioRad protein assay kit (BioRad, cat. no. 5000006) according to 

  • 31 

    manufacturer’s protocol. Assays were executed in triplicates and compared to bovine 

    serum albumin standards (BSA). 

    Calcium retention capacity 

    KCl buffer with 0.1% BSA (25m M KCl, 0.1% BSA, 20 mM HEPES, 2 mM MgCl2, 

    and 2.5 m M KH2 PO4 , pH 7.2) was prepared with the following additives: 8 mM 

    succinate (complex II substrate), 1 µM rotenone (complex I inhibitor), 2 µg/ml 

    oligomycin (ATP synthase inhibitor), 0.2mM ADP, 2 µM thapsigargin, and 1µM CaG5N, 

    a fluorescent calcium indicator. The KCl (0.1% BSA) buffer with additives was then 

    incubated at 37oC, and mitochondria were resuspended and diluted in prepared buffer 

    to 0.2 mg/mL. Samples were then dispensed into 200 µL aliquots in a 96black well 

    assay microplate and quantified in quadruplicates. 

    The Synergy HTX MultiMode Reader and Gen5 Data Analysis Software were 

    utilized to monitor the calcium uptake and opening of the PTP through a fluorescence 

    kinetic run. Prior to dispensing Ca2+ into mitochondria samples, the Biotek plate reader 

    was preheated to 37oC and syringes were primed with 0.2mM CaCl2. Each well received 

    sequential nanomolar injections of 0.2mM CaCl2 every 3 minutes until the point of the 

    PTP was reached and an efflux of Ca2+ was expressed through the fluorescent signaling 

    at the termination of the kinetic run. 

    Values produced from fluorescence kinetic run were expressed in arbitrary 

    fluorescent units. Nanomoles of calcium injected were qualitatively determined by 

    upward spikes in calcium signaling, and the opening of the PTP was established as a 

    continuous increase in calcium signaling. Summation of nanomoles of calcium per 

  • 32 

    milligram of mitochondrial protein was calculated as the threshold of calcium uptake 

    before the induction of the mitochondria PTP. 

     

    Flow Cytometry 

     

    Mice was euthanized by CO2 inhalation and transcardiac perfusion was then 

    performed with a rate controlled pump using 0.9% NaCl. Spinal cord was extracted by 

    applying hydraulic pressure through the spinal column with a 19G needle and syringe 

    filled with cold PBS. CNS tissue was manually minced with razor blade on ice and 

    resuspended in 1mL of preheated (37°) RPMI media containing collagenase D (2.5 

    mg/ml  Roche, catalog number: 11088858001) and DNaseI (20 ug/ml  SigmaAldrich, 

    catalog number: D4263). CNS tissue suspension was incubated for 45 minutes at 37° 

    with slow rotation and then passed through a 70 µm filter into a 50ml conical tube by 

    pipette. Filter was then washed with 10 mls of RPMI media to maximize yield.  

    Filtered CNS suspension was centrifuged at 300 x g for 10 minutes at 4°C and 

    supernatant was aspirated by pipette. Remaining pellet was resuspended in 5mL of 

    30% Percoll and transferred to a 15 mL conical tube. Resuspended pellet was 

    centrifuged at 500 x g for 10 minutes at room temperature with slower deceleration 

    settings (Sorvall legend XTR deceleration  deceleration at 7 or lower). The top 

    lipid/myelin layer will appear white in color and is aspirated completely by vacuum 

    suction. Remaining CNS cells are resuspended in 5 mL RPMI10 media and centrifuged 

    at 300 x g for 5 minutes. Remaining cell pellet was resuspended in 1mL of RPMI10 

  • 33 

    media and was aliquoted into into two FACS tubes (BD Biosciences, 5mL polystyrene 

    roundbottom tube, Ref# 352052).  

    2mL of FACS buffer (PBS, 0.1% NaN3, 1% FBS) is added to each tube and 

    centrifuged at 300 x g for 5 minutes. Supernatant was then decanted and blotted.  

    5µl of Fc block (BD Biosciences, Mouse BD Fc Block, Cat# 553142) was added to each 

    tube, vortexed, and incubated for 5 minutes at 4℃. Relevant antibodies were then 

    added, vortexed and incubated for 20 to 30 minutes at 4℃ without light. Cells were then 

    resuspended in 2mL of FACS buffer, centrifuged at 300 x g for 5 minutes and 

    supernatant was decanted.  

    Finally, 25µL of countbright bead microspheres (Life technologies, CountBright 

    beads  0.54x10^6 beads per 50µL, Ref# C36950) were added into each tube and 

    content was analyzed by flow cytometry. The sample volume, microsphere volume and 

    the number of cell events are known. Volume of sample analyzed can be calculated 

    from the number of microsphere events and is used to determine cell concentration.  

     

     

     

       

  • 34 

    Results/Discussion 

     

    R.1 Effect of NIM811 on the course of EAE 

    The effect of a cyclophilin inhibitor, NIM811, in the context of MS and EAE was yet 

    unknown. We induced EAE in wild type C57B/6 mice and provided daily injections of 

    NIM811 vs vehicle after onset of signs of disease and scored them over time. 

    NIM811treated EAE mice showed a sustained reduction in clinical disease severity 

    compared to vehicle treated mice (Figure 1, left). The mean cumulative clinical score 

    was significantly reduced in NIM811treated EAE mice compared to vehicletreated 

    EAE mice, indicating a reduction in severity and duration of clinical illness (Figure 1, 

    right).  

    Figure 1. NIM811 reduces clinical severity of EAE 

    Mice (C57BL/6) were actively induced to undergo EAE by subcutaneous injection of 

  • 35 

    MOG3555 in complete Freund’s adjuvant and intraperitoneal (IP) injections of pertussis 

    toxin. Left: Animals were administered daily IP injections of NIM811 (100 mg/kg) or 

    vehicle (DMSO:PEG400) after onset of clinical disease (days 12 to 14 post induction) 

    until the day of sacrifice. N = 20 for NIM811treated and N = 24 for vehicletreated 

    animals (VC). Mean +/ SEM. Right: Cumulative clinical scores (cumulative score) at 

    day 20 post induction for vehicle (VC) and NIM811 (100 mg/kg)treated animals. 

    Median and interquartile range. Unpaired Ttest.  

     

     

    R.2 Effect of NIM811 on mitochondrial calcium retention capacity 

    We investigated the effect of NIM811 on mitochondrial calcium retention capacity (MT 

    CRC). As expected, external calcium levels displayed a rapid rise after the addition of 

    calcium, but was gradually absorbed by mitochondria  resulting in the spikes seen in 

    CRC assays (Figure 2). Eventually, the mitochondrias lose the ability to uptake calcium 

    and the intramitochondrial calcium will actually leak into the buffer, indicating the 

    occurrence of mitochondrial permeability transition (MPT). MPT is indicated at the point 

    where fluorescence levels no longer decrease after the addition of external calcium.  

    The calcium retention capacity of mitochondria isolated from CypD KO mice is greater 

    than that of WT mice (Figure 2A). Figure 2B shows the effect of in vitro addition of 

    NIM811 on the CRC of WT mice. There was a distinct increase in CRC for WT 

    mitochondria that received a dose of NIM811 (1µM) vs those that did not, indicating the 

    efficacy of NIM811 in increasing CRC of MT in vitro.  

  • 36 

    Figure 2C compares the CRC of isolated MT from CypD KO mice with and without the 

    addition of NIM811 (1µM). No difference in CRC was observed, indicating the specificity 

    of NIM811 for cyclophilin D.  

    Combining Figure 2 A, B, and C, NIM811 demonstrated its specificity and efficacy 

    against CypD in vitro where, in the context of CRC, the effect of CypD inhibition due to 

    NIM811 mimicked that of knocking out CypD.  

    We then investigated the in vivo effect of NIM811 on CypD. Daily injections of either 

    NIM811 or VC were administered in WT mice for four days. On Day four, 1 hour after 

    injections, mitochondria was isolated from brain and CRC assays were performed. 

    There was no significant difference in CRC between the two cohorts (NIM811 vs VC) 

    (Figure 2D). Unlike our in vitro assays, NIM811 did not increase CRC in vivo.  

    In vivo CRCs were repeated with mitochondria isolated from liver tissue to test the 

    possibility that NIM811 was unable to penetrate CNS tissue due to an intact BBB. No in 

    vivo effect of NIM811 on CRC of liver mitochondria was observed (data not shown). 

  • 37 

     

    Figure 2. Mitochondrial calcium retention capacity is increased by NIM811 in vitro 

    but not in vivo.  

    Mitochondrial calcium retention capacity was measured by serial additions of 5 µM 

    calcium ion to crude mitochondrial fraction in buffer containing Calcium Green5N as 

    fluorescent indicator of extracellular calcium and thapsigargin to inhibit endoplasmic 

    reticulum uptake of calcium. A) Mitochondrial calcium retention capacity in crude 

    mitochondrial fraction from wild type (WT) and cyclophilin D knockout (CypD KO) 

    animals. B) Calcium retention capacity in wild type crude mitochondrial fraction without 

    and with 1 µM NIM811. C) Calcium retention capacity in crude mitochondrial fraction 

  • 38 

    from CypD KO animals without and with 1 µM NIM811. Fig 2, A B and C are all 

    representative data from three independent experiments. D) Healthy C57BL/6 animals 

    were administered daily intraperitoneal injections of NIM811 (100 mg/kg) or vehicle 

    control for 4 days. Crude mitochondrial fractions were obtained from brains of NIM811 

    and vehicle treated animals to assess mitochondrial calcium retention capacity. Median 

    with interquartile range. MannWhitney test. 

     

     

     

    R.3 Effect of NIM811 on the course of EAE in cyclophilin D knockout mice. 

    We induced EAE in cyclophilin D knockout and wild type C57B/6 mice to verify the 

    previously reported reduction in the clinical severity of EAE in CypD KO mice. Daily 

    clinical score averages of the two cohorts are represented in Fig 2. Both cohorts of mice 

    were followed for 34 days and scored daily, no injections were administered. A 

    reduction in EAE clinical disease severity is observed (Figure 3, top). 

    Active induction of EAE was then performed in CypD KO mice where intraperitoneal 

    injections of NIM811 vs VC were administered daily after the onset of disease. Clinical 

    score averages of the two cohorts are shown in Figure 3, bottom left. Cumulative clinical 

    scores for the two cohorts are presented in Figure 3, bottom right, showing significance. 

    NIM811 significantly reduced the course and severity of EAE in CypD KO mice, 

    indicating a mechanism of action independent of cyclophilin D (Figure 3).  

     

  • 39 

     

     

     

    Figure 3. NIM811 reduces severity of EAE in cyclophilin D knockout mice. 

    Top: Wild type and cyclophilin D knockout mice (C57/B6) were actively induced to 

    undergo EAE. Clinical course of EAE in cyclophilin D knockout (KO) animals were 

    compared to wild type (WT) littermates. N = 6 for cyclophilin D knockout animals and N 

    = 6 for wild type littermates. Mean +/ SEM. No injections administered over the course 

    of EAE. Bottom left: Clinical course of cyclophilin D knockout animals administered 

  • 40 

    NIM811 (100 mg/kg) or vehicle (VC) during EAE. N = 7 for NIM811treated and N = 7 

    for vehicletreated animals. Mean +/ SEM. Bottom right: Cumulative clinical scores for 

    NIM811treated and vehicletreated cyclophilin D knockout EAE animals. Median with 

    interquartile range. Unpaired ttest.  

     

    R.4 Effect of NIM811 on CNS infiltrating leucocytes 

    Flow cytometry was performed on dissociated thoracolumbar spine of EAE mice to 

    compare the relative amount of CNS infiltrating leukocytes in NIM811 vs VC treated 

    animals. EAE mice was first perfused and the thoracolumbar spine was then extracted, 

    dissociated, and labeled with monoclonal antibodies specific for CD11b, CD45, and 

    CD3.  

    Figure 4, upper panel shows a representative fluorescenceactivated cell sorting 

    (FACS) analysis. On the very left, gating for countbrightbeads and live cells are 

    displayed. The middle and left of the upper panel respectively represents the cell 

    populations from vehicle control and NIM811 treated EAE mice. Compared to vehicle 

    treated mice, there was a decrease in CD11b+CD45hi cells in the NIM811 treated 

    animal, representing significant reduction in CNS infiltrating macrophages.   

    Absolute counts of total leukocytes, T cells, macrophages, and microglia were 

    compared between the NIM811 vs VC treated cohorts of EAE mice (Figure 4, lower 

    panel). A significant reduction in total CNS infiltrating leukocytes was observed, 

    consistent with the significant reduction in CNS infiltrating macrophages. CNS T cells 

    and microglia populations were not significantly influenced by treatment of NIM811.   

  • 41 

     

     

    Figure 4. CNS infiltrating leucocytes in EAE are reduced by NIM811 

    Thoracolumbar spine from EAE mice treated with NIM811 and vehicle were dissociated, 

    labeled with monoclonal antibodies specific for CD11b, CD45 and CD3. Microglia were 

    identified as CD11b+CD45lo cells. Macrophage were CD11b+CD45hi cells. 

  • 42 

    CNSinfitrating T cells were CD3+. Total CNS Leucocytes were CD45+. Top panels 

    shows representative FACS analysis. Lower panels show data with median and 

    interquartile range. Unpaired Ttest.  

      

     

     

     

     

     

       

  • 43 

    Discussion and Future Direction 

     

    Multiple sclerosis is a complex, wellstudied disease involving both 

    immunopathological as well as neurodegenerative mechanisms with extensive interplay 

    and crosstalk between the central nervous system and the peripheral blood [17]. As a 

    nonimmunosuppressive, nonselective cyclophilin inhibitor, NIM811 could inhibit two 

    relevant targets with the possibility of executing a dual effect. Cyclophilin D is implicated 

    in mechanisms of neurodegeneration associated with progressive MS while the 

    extracellular chemotactic effect of cyclophilin A is associated with early leukocyte 

    infiltration into the CNS. The beneficial effect of NIM811 on the course and severity of 

    EAE was first established in WT mice (Figure 1) and its mechanism of action was then 

    tested with cyclophilin D knockout mice.  

    Cyclophilin D in EAE 

    Since cyclophilin D has been identified as a regulatory component of mPTP, the 

    inhibition of cyclophilin D may influence mitochondrial dysfunction, and consequently, 

    axonal injury in MS and EAE [5]. Forte el al demonstrated a decrease in clinical disease 

    severity of EAE in cyclophilin D knockout mice. This experiment was repeated with 

    cyclophilin D knockout vs wildtype mice from our lab, where a similar trend was 

    observed (Figure 3 Top).  

    Calcium retention capacity assays were performed with isolated mitochondria 

    from mice brain to investigate the cyclophilin D specific mechanism of NIM811. While 

    NIM811 did have an specific inhibitory effect on cyclophilin D in vitro (Figure 2 ABC), the 

  • 44 

    increase in calcium retention capacity of isolated mitochondria was not observed in vivo 

    (Figure 2D). Healthy mice was used for our CRC assays instead of EAE mice because 

    the animal model of EAE does result in mitochondrial dysfunction and mitochondrial 

    permeability transition, which could confound our CRC data. However, due to the lack of 

    an active EAE induction, these WT mice will have an intact blood brain barrier which is 

    normally broken down by pertussis toxin. The intact blood brain barrier could impede 

    drug penetration into the CNS. Therefore, we repeated the in vivo calcium retention 

    capacity assays with liver tissue and similar results were obtained  decreasing the 

    possibility of poor CNS penetration by NIM811.  

    To verify that NIM811’s mechanism of action in the context of EAE was 

    independent of cyclophilin D, the effect of NIM811 was studied in EAE cyclophilin D 

    knockout mice. As expected, EAE cyclophilin D knockout mice treated with NIM811 had 

    significantly reduced clinical disease severity compared to VC (Figure 3 Bottom).  

    Cyclophilin A in EAE 

    NIM811 is a structural analogue of cyclosporin that retains the nonselective 

    inhibitory property against proteins in the cyclophilin family. As a nonselective 

    cyclophilin inhibitor, there is another target candidate for NIM811 that could explain its 

    observed beneficial effect on EAE mice  cyclophilin A. Cyclophilin A has a multitude of 

    functions and is highly abundant, found intracellularly and extracellularly. Extracellularly, 

    cyclophilin A functions as a leukocyte chemotactic factor by activating matrix 

    metalloproteinases after binding to CD147 aka EMMPRIN. Matrix metalloproteinases 

    are necessary for leukocytes to escape periventricular cuffing and enter the CNS 

  • 45 

    parenchyma. Intraperitoneal injection of an antiEMMPRIN functionblocking antibody 

    was shown to attenuate EAE disease severity in mice [24]. Alternatively, the inhibition of 

    cyclophilin A and its subsequent extracellular chemotactic function is a possible 

    mechanism of action for NIM811 in vivo.  

    Using flow cytometry, subsets of CNS infiltrating leukocytes were compared 

    between wild type EAE mice receiving NIM811 vs VC treatment. We observed a 

    significant reduction in total CNS infiltrating leukocytes, consistent with a significant 

    reduction in macrophages (Figure 4). In order to investigate this cyclophilin 

    Adependent mechanisms of NIM811, course and biology of EAE in cyclophilin A 

    knockout (CypA KO) mice should be studied.  

    If NIM811’s mechanism of action is cyclophilin A dependent, then NIM811 should 

    have no effect on cyclophilin A knockout mice in the context of EAE. Additionally, EAE 

    cyclophilin A knockout mice would exhibit a similar reduction in macrophages seen in 

    Figure 4.  Further complicating the matter, CypA has a multitude of functions. An 

    intracellular signaling mechanism of CypA and its repression of Th2 responses may 

    also be the target of NIM811. In order to distinguish between extracellular and 

    intracellular mechanisms, a cellimpermeable cyclophilin inhibitor will be adopted.  

     

     

     

     

  • 46 

    Literature Cited 

     [1] Wagner CA, Goverman JM. Novel Insights and Therapeutics in Multiple Sclerosis. F1000Res. 2015 Aug 7;4(F1000 Faculty Rev):517.  [2] Ebers GC, Heigenhauser L, Daumer M, Lederer C, Noseworthy JH. Disability as an outcome in MS clinical trials. Neurology 2008; 71:624–31.  [3] Nikić I, Merkler D, Sorbara C, Brinkoetter M, Kreutzfeldt M, Bareyre FM, Brück W, Bishop D, Misgeld T, Kerschensteiner M. A reversible form of axon damage in experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis. Nat Med. 2011 Apr;17(4):4959.  [4] Dutta R, Trapp BD. Pathogenesis of axonal and neuronal damage in multiple sclerosis. Neurology 2007; 68: S22–31.discussion S43–54.  [5] Forte M, Gold BG, Marracci G, Chaudhary P, Basso E, Johnsen D, Yu X, Fowlkes J, Rahder M, Stem K, Bernardi P, Bourdette D. Cyclophilin D inactivation protects axons in experimental autoimmune encephalomyelitis, an animal model of multiple sclerosis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 May 1;104(18):755863.  [6] Basso E, Fante L, Fowlkes J, Petronilli V, Forte MA, Bernardi P. Properties of the permeability transition pore in mitochondria devoid of Cyclophilin D. J Biol  Chem. 2005 May 13;280(19):1855861.  [7] Hedström AK, Olsson T, Alfredsson L. The Role of Environment and Lifestyle in Determining the Risk of Multiple Sclerosis. Curr Top Behav Neurosci. 2015;26:87104.   [8] Lucchinetti CF, Popescu BF, Bunyan RF, Moll NM, Roemer SF, Lassmann H, Brück W, Parisi JE, Scheithauer BW, Giannini C, Weigand SD, Mandrekar J, Ransohoff RM. Inflammatory cortical demyelination in early multiple sclerosis. N Engl J Med. 2011 Dec 8;365(23):218897.    [9] Fischer MT, Wimmer I, Höftberger R, Gerlach S, Haider L, Zrzavy T, Hametner S, Mahad D, Binder CJ, Krumbholz M, Bauer J, Bradl M, Lassmann H. Diseasespecific molecular events in cortical multiple sclerosis lesions. Brain. 2013 Jun;136(Pt 6):1799815. 

  • 47 

     [10] Compston A. Genetic epidemiology of multiple sclerosis. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 1997;62(6):553561.  [11] Kobelt G, Berg J, Atherly D, Hadjimichael O. Costs and quality of life in multiple sclerosis: a crosssectional study in the United States. Neurology. 2006 Jun 13;66(11):1696702.  [12] Sadovnick AD, Armstrong H, Rice GP, Bulman D, Hashimoto L, Paty DW, Hashimoto SA, Warren S, Hader W, Murray TJ, et al. A populationbased study of multiple sclerosis in twins: update. Ann Neurol. 1993 Mar;33(3):2815.  [13] Beecham AH et al. International Multiple Sclerosis Genetics Consortium (IMSGC). Analysis of immunerelated loci identifies 48 new susceptibility variants for multiple sclerosis. Nat Genet. 2013 Nov;45(11):135360.  [14] Lutton JD, Winston R, Rodman TC. Multiple sclerosis: etiological mechanisms and future directions. Exp Biol Med (Maywood). 2004 Jan;229(1):1220.  [15] Bäärnhielm M, Hedström AK, Kockum I, Sundqvist E, Gustafsson SA, Hillert J, Olsson T, Alfredsson L. Sunlight is associated with decreased multiple sclerosis risk: no interaction with human leukocyte antigenDRB1*15. Eur J Neurol. 2012 Jul;19(7):95562.  [16] Dendrou CA, Fugger L, Friese MA. Immunopathology of multiple sclerosis. Nat Rev Immunol. 2015 Sep 15;15(9):54558.   [17] Macchi B, MarinoMerlo F, Nocentini U, Pisani V, Cuzzocrea S, Grelli S, Mastino A. Role of inflammation and apoptosis in multiple sclerosis: Comparative analysis between the periphery and the central nervous system. J Neuroimmunol. 2015 Oct 15;287:807.  [18] Lee S, Xu L, Shin Y, Gardner L, Hartzes A, Dohan FC, Raine C, Homayouni R, Levin MC. A potential link between autoimmunity and neurodegeneration in immunemediated neurological disease. J Neuroimmunol. 2011 Jun;235(12):5669.  [19] Yadav SK, Mindur JE, Ito K, DhibJalbut S. Advances in the immunopathogenesis of multiple sclerosis. Curr Opin Neurol. 2015 Jun;28(3):20619.  

  • 48 

    [20] Heneka MT, Kummer MP, Latz E. Innate immune activation in neurodegenerative disease. Nat Rev Immunol. 2014 Jul;14(7):46377.  [21] Lambert JC et al. Metaanalysis of 74,046 individuals identifies 11 new susceptibility loci for Alzheimer's disease. Nat Genet. 2013 Dec;45(12):14528.  [22] Nalls MA et al. Largescale metaanalysis of genomewide association data identifies six new risk loci for Parkinson's disease. Nat Genet. 2014 Sep;46(9):98993.   [23] Kebir H, Ifergan I, Alvarez JI, Bernard M, Poirier J, Arbour N, Duquette P, Prat A. Preferential recruitment of interferongammaexpressing TH17 cells in multiple sclerosis. Ann Neurol. 2009 Sep;66(3):390402.  [24] Agrawal SM, Silva C, Wang J, Tong JP, Yong VW. A novel antiEMMPRIN functionblocking antibody reduces T cell proliferation and neurotoxicity: relevance to multiple sclerosis. J Neuroinflammation. 2012 Apr 5;9:64.  [25] Agrawal SM, Williamson J, Sharma R, Kebir H, Patel K, Prat A, Yong VW. Extracellular matrix metalloproteinase inducer shows active perivascular cuffs in multiple sclerosis. Brain. 2013 Jun;136(Pt 6):176077.   [26] Popescu BF, Lucchinetti CF. Pathology of demyelinating diseases. Annu Rev Pathol. 2012;7:185217.  [27] Frischer JM, Bramow S, DalBianco A, Lucchinetti CF, Rauschka H, Schmidbauer M, Laursen H, Sorensen PS, Lassmann H. The relation between inflammation and neurodegeneration in multiple sclerosis brains. Brain. 2009 May;132(Pt 5):117589.  [28] Fischer MT, Sharma R, Lim JL, Haider L, Frischer JM, Drexhage J, Mahad D, Bradl M, van Horssen J, Lassmann H. NADPH oxidase expression in active multiple sclerosis lesions in relation to oxidative tissue damage and mitochondrial injury. Brain. 2012 Mar;135(Pt 3):88699.  [29] Ji Q, Castelli L, Goverman JM. MHC class Irestricted myelin epitopes are crosspresented by TipDCs that promote determinant spreading to CD8⁺ T cells. Nat Immunol. 2013 Mar;14(3):25461.  [30] Lolli F, Martini H, Citro A, Franceschini D, Portaccio E, Amato MP, Mechelli R, Annibali V, Sidney J, Sette A, Salvetti M, Barnaba V. Increased CD8+ T cell responses 

  • 49 

    to apoptotic T cellassociated antigens in multiple sclerosis. J Neuroinflammation. 2013 Jul 27;10:94.  [31] Barr TA, Shen P, Brown S, Lampropoulou V, Roch T, Lawrie S, Fan B, O'Connor RA, Anderton SM, BarOr A, Fillatreau S, Gray D. B cell depletion therapy ameliorates autoimmune disease through ablation of IL6producing B cells. J Exp Med. 2012 May 7;209(5):100110.  [32] Yamasaki R, Lu H, Butovsky O, Ohno N, Rietsch AM, Cialic R, Wu PM, Doykan CE, Lin J, Cotleur AC, Kidd G, Zorlu MM, Sun N, Hu W, Liu L, Lee JC, Taylor SE, Uehlein L, Dixon D, Gu J, Floruta CM, Zhu M, Charo IF, Weiner HL, Ransohoff RM. Differential roles of microglia and monocytes in the inflamed central nervous system. J Exp Med. 2014 Jul 28;211(8):153349.  [33] Hemmer B, Kerschensteiner M, Korn T. Role of the innate and adaptive immune responses in the course of multiple sclerosis. Lancet Neurol. 2015 Apr;14(4):40619.  [34] Olsen JA, Akirav EM. Remyelination in multiple sclerosis: cellular mechanisms and novel therapeutic approaches. J Neurosci Res. 2015 May;93(5):68796.  [35] Chari DM. Remyelination in multiple sclerosis. Int Rev Neurobiol. 2007;79:589620.  [36] Prins M, Schul E, Geurts J, van der Valk P, Drukarch B, van Dam AM. Pathological differences between white and grey matter multiple sclerosis lesions. Ann N Y Acad Sci. 2015 Sep;1351:99113.  [37] Mallucci G, PeruzzottiJametti L, Bernstock JD, Pluchino S. The role of immune cells, glia and neurons in white and gray matter pathology in multiple sclerosis. Prog Neurobiol. 2015 Apr;127128:122.  [38] Trapp BD, Stys PK. Virtual hypoxia and chronic necrosis of demyelinated axons in multiple sclerosis. Lancet Neurol. 2009 Mar;8(3):28091.  [39] Giorgi C, Agnoletto C, Bononi A, Bonora M, De Marchi E, Marchi S, Missiroli S, Patergnani S, Poletti F, Rimessi A, Suski JM, Wieckowski MR, Pinton P. Mitochondrial calcium homeostasis as potential target for mitochondrial medicine. Mitochondrion. 2012 Jan;12(1):7785.  

  • 50 

    [40] Friese MA, Schattling B, Fugger L. Mechanisms of neurodegeneration and axonal dysfunction in multiple sclerosis. Nat Rev Neurol. 2014 Apr;10(4):22538.  [41] Sullivan PG, Rabchevsky AG, Waldmeier PC, Springer JE. Mitochondrial permeability transition in CNS trauma: cause or effect of neuronal cell death?  [42] Bernardi P, Rasola A, Forte M, Lippe G. The Mitochondrial Permeability Transition Pore: Channel Formation by FATP Synthase, Integration in Signal Transduction, and Role in Pathophysiology. Physiol Rev. 2015 Oct;95(4):111155.  [43] Kumari S, Roy S, Singh P, SinglaPareek SL, Pareek A. Cyclophilins: proteins in search of function. Plant Signal Behav. 2013 Jan;8(1):e22734.  [44] Readnower RD, Pandya JD, McEwen ML, Pauly JR, Springer JE, Sullivan PG. Postinjury administration of the mitochondrial permeability transition pore inhibitor, NIM811, is neuroprotective and improves cognition after traumatic brain injury in rats. J Neurotrauma. 2011 Sep;28(9):184553.  [45] Constantinescu CS, Farooqi N, O'Brien K, Gran B. Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) as a model for multiple sclerosis (MS). Br J Pharmacol. 2011 Oct;164(4):1079106.  [46] Procaccini C, De Rosa V, Pucino V, Formisano L, Matarese G. Animal models of Multiple Sclerosis. Eur J Pharmacol. 2015 Jul 15;759:18291.  [47] Yednock TA, Cannon C, Fritz LC, SanchezMadrid F, Steinman L, Karin N. Prevention of experimental autoimmune encephalomyelitis by antibodies against alpha 4 beta 1 integrin. Nature. 1992 Mar 5;356(6364):636.  [48] Matloubian M, Lo CG, Cinamon G, Lesneski MJ, Xu Y, Brinkmann V, Allende ML, Proia RL, Cyster JG. Lymphocyte egress from thymus and peripheral lymphoid organs is dependent on S1P receptor 1. Nature. 2004 Jan 22;427(6972):35560.  [49] Atlas: Multiple Sclerosis Resources in the World 2008. Geneva, Switzerland: World Health Organisation; 2008. Available at: http://www.msif.org/aboutms/publicationsandresources/.  Accessed April 2, 2016    

    http://www.msif.org/about-ms/publications-and-resources/

  • 51 

    VITA 

     

    Zi L. Huang was born on February 11, 1992, in the province of Hubei, China. At the age 

    of nine, he immigrated with his family to the United States of America and resided in the 

    state of Virginia. In 2010, Zi began his postsecondary education at Northern Virginia 

    Community College while working parttime jobs. Graduating Summa Cum Laude with 

    an Associates of Science Degree in 2012, he transferred to the University of Virginia 

    where he graduated with distinction in 2014 with a Bachelors of Arts degree in Biology. 

    Zi completed the CERT program at Virginia Commonwealth University in 2015 and 

    continued his graduate studies under the mentorship of Dr. Unsong Oh. While pursuing 

    a Master of Science in Physiology and Biophysics, he was a teaching assistant for the 

    undergraduate physiology course, volunteer leader at HandsonRVA, served at the 

    Goochland Food Pantry on weekends, and volunteered his free time at the Goochland 

    Free Clinic. Zi was accepted into VCU School of Medicine and will begin coursework 

    toward a M.D. degree in the Fall of 2016.  

     

    Virginia Commonwealth UniversityVCU Scholars Compass2016

    Pharmacological Inhibition of Cyclophilin Ameliorates Experimental Allergic EncephalomyelitisZi L. HuangDownloaded from

    tmp.1463376995.pdf.SLhoL