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Microglia are the sentinel cells of the retina, where they are involved in surveillance of tissue integrity and clearance of cellular debris. The innate immune functions of microglia are tightly controlled by retinal neurons via the secretion of suppressing factors to prevent harmful pro-inflammatory activation. Progressive retinal cell death is a common sink of all inherited retinal diseases, causing perturbance of the retinal tissue homeostasis. This leads to pro-inflammatory microglial activation, a mutual event of all retinal dystrophies. Sustained microglial activation is considered to exacerbate the progression of retinal disease. Gene therapy is a current strategy aiming to cure inherited retinal degenerative diseases. In contrast to this individualized approach, modulation of microglial activity is independent of the causative genetic defect and therefore provides a broad therapeutic range. Local application of microglia-regulating proteins or the supplementation of anti-inflammatory plant-derived compounds could be envisioned for the treatment of degenerative retinal diseases. Transcriptional profiling of retinal microglia led to the identification of the novel whey acidic protein AMWAP. Based on the known properties of other myeloid-derived whey acidic proteins, we assumed that AMWAP could modulate microglial activity. Functional analyses then revealed that AMWAP has several immuno-regulatory effects. AMWAP effectively inhibts serine-proteases, has broad anti-microbial potential and dampens transcript levels of pro-inflammatory marker genes. AMWAP also induces expression of alternative marker genes associated with neurotrophic functions. The results presented in this work propose that AMWAP could be a potential therapeutic tool to dampen microglial activation and attenuate retinal degeneration. Compounds from plant extracts like Curcumin and Luteolin have been widely used in traditional chinese medicine, because they have well known anti-inflammatory and radical scavenging activities. As part of this work, we analyzed the modulatory effects of Curcumin and Luteolin on pro-inflammatory activated microglial cells by transcriptomic profiling. The assessment of global gene expression showed indications for reprogramming of the pro-inflammatory activated microglia phenotype. Curcumin and Luteolin attenuated pro-inflammatory activation of microglia and concurrently induced the expression of neuroprotective markers with substance-specific gene signatures. Subsequent functional analysis of microglia treated with both compounds in vitro revealed profound neuroprotective features. In conclusion, both plant-derived polyphenolic compounds may be promising tools to counter-act neurotoxic microglial activation in retinal disease., Mikrogliazellen erfüllen wichtige Überwachungsfunktionen in der gesunden Netzhaut und tragen wesentlich zur Aufrechterhaltung der Gewebshomöostase bei. Mikrogliale Immunmechanismen werden aktiv durch die Präsentation und Sekretion suppressiver Faktoren von retinalen Neuronen kontrolliert, um eine überschießende Mikrogliaaktivierung zu verhindern. Fortschreitender Zelltod stellt einen gemeinsamen Endpunkt aller retinalen Degenerationskrankheiten dar, wodurch eine Störung der Gewebshomöostase ausgelöst wird. Die einhergehende pro-inflammatorische Mikrogliaaktivierung gilt somit als gemeinsames Merkmal retinaler Dystrophien. Es wird angenommen, dass eine chronische Mikrogliaaktivierung zu einem schnelleren Fortschreiten von Degenerationsprozessen beiträgt. Als Therapiemöglichkeiten wurden bisher hauptsächlich gentherapeutische Ansätze erforscht, die darauf abzielen den jeweils kausalen genetischen Defekt zu beheben. Unabhängig von der genetischen Ursache, stellt die Modulation der Mikrogliaaktivierung einen breiten symptomatischen Behandlungsansatz dar. Die Beeinflussung entzündlicher Mikrogliazellen könnte das Fortschreiten der Degenerationserkrankung verlangsamen. Lokale Applikation von entzündungs-dämpfenden Proteinen oder die orale Verabreichung von anti-entzündlichen sekundären Pflanzenstoffen stellen sehr vielversprechende Therapieansätze dar. Das neuartige whey acidic protein AMWAP wurde basierend auf Daten eines genomweiten Genexpressionsprofils aus aktivierten retinalen Mikrogliazellen, zur weiteren funktionellen Charakterisierung ausgewählt. Aufgrund der entzündungs-hemmenden Eigenschaften von Peptiden der whey acidc protein Familie, wurde die Hypothese aufgestellt, dass auch AMWAP ähnliche Eigenschaften aufweist. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse der funktionellen Analyse von AMWAP haben gezeigt, dass AMWAP Entzündungsmechanismen auf verschiedene Weise beeinflusst und somit die inflammatorische Mikgrogliaaktivierung abschwächt. Im Detail wirkte AMWAP Protease-hemmend, anti-mikrobiell und verminderte die Expression pro-inflammatorischer Gene. Zusätzlich erhöhte AMWAP die Produktion von Markern der alternativen Aktivierung, was auf eine Induktion neuroprotektiver Mechanismen hindeutet. Aufgrund dieser Befunde könnte AMWAP einen Kandidaten zur Modulation der Mikrogliaaktivierung bei Netzhautdegeneration darstellen. Bioaktive sekundäre Pflanzenstoffe wie Curcumin oder Luteolin finden aufgrund ihrer entzündungshemmenden und anti-oxidativen Eigenschaften breite Anwendung in der traditionellen chinesischen Medizin. In dieser Arbeit sollte der immunregulatorische Einfluss der Pflanzenstoffe Curcumin und Luteolin auf aktivierte Mikrogliazellen durch genomweite Transkriptprofilierung untersucht werden. Die ganzheitliche Erfassung des Transkriptoms der modulierten Mikrogliazellen zeigte eine globale Beeinflussung des aktivierten Zellstatus. Behandlung der Mikrogliazellen mit Curcumin und Luteolin führten zur potenten Suppression der pro-inflammatorischen Aktivierung und zugleich zur Induktion von Genclustern mit neuroprotektiven Markern. Vergleichend zeigten Curcumin und Luteolin die Induktion unterschiedlicher neuroprotektiver Gene. Durch funktionelle Analyse wurden für beide Substanzen eindeutige neuroprotektive Eigenschaften in Zellkulturexperimenten mit Photorezeptorzellen nachgewiesen. Zusammenfassend kann gefolgert werden, dass Curcumin und Luteolin das Expressionsmuster aktivierter Mikrogliazellen merklich beeinflussen und beide Substanzen durch ein breites Wirkungsspektrum mögliche experimentelle Therapieansätze für retinale Degenerationserkrankungen darstellen könnten.

Background Microglial cells are important effectors of the neuronal innate immune system with a major role in chronic neurodegenerative diseases. Curcumin, a major component of tumeric, alleviates pro-inflammatory activities of these cells by inhibiting nuclear factor kappa B (NFkB) signaling. To study the immuno-modulatory effects of curcumin on a transcriptomic level, DNA-microarray analyses were performed with resting and LPS-challenged microglial cells after short-term treatment with curcumin. Methods Resting and LPS-activated BV-2 cells were stimulated with curcumin and genome-wide mRNA expression patterns were determined using DNA-microarrays. Selected qRT-PCR analyses were performed to confirm newly identified curcumin-regulated genes. The migration potential of microglial cells was determined with wound healing assays and transwell migration assays. Microglial neurotoxicity was estimated by morphological analyses and quantification of caspase 3/7 levels in 661W photoreceptors cultured in the presence of microglia-conditioned medium. Results Curcumin treatment markedly changed the microglial transcriptome with 49 differentially expressed transcripts in a combined analysis of resting and activated microglial cells. Curcumin effectively triggered anti-inflammatory signals as shown by induced expression of Interleukin 4 and Peroxisome proliferator activated receptor α. Several novel curcumin-induced genes including Netrin G1, Delta-like 1, Platelet endothelial cell adhesion molecule 1, and Plasma cell endoplasmic reticulum protein 1, have been previously associated with adhesion and cell migration. Consequently, curcumin treatment significantly inhibited basal and activation-induced migration of BV-2 microglia. Curcumin also potently blocked gene expression related to pro-inflammatory activation of resting cells including Toll-like receptor 2 and Prostaglandin-endoperoxide synthase 2. Moreover, transcription of NO synthase 2 and Signal transducer and activator of transcription 1 was reduced in LPS-triggered microglia. These transcriptional changes in curcumin-treated LPS-primed microglia also lead to decreased neurotoxicity with reduced apoptosis of 661W photoreceptor cultures. Conclusions Collectively, our results suggest that curcumin is a potent modulator of the microglial transcriptome. Curcumin attenuates microglial migration and triggers a phenotype with anti-inflammatory and neuroprotective properties. Thus, curcumin could be a nutraceutical compound to develop immuno-modulatory and neuroprotective therapies for the treatment of various neurodegenerative disorders.