DOI: https://doi.org/10.1038/s41419-025-07469-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40025014
تاريخ النشر: 2025-03-01
المؤلف: Cuiping Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: آليات الالتهاب العصبي والتنكس العصبي
نظرة عامة
تبحث الدراسة في اعتلال الدماغ المرتبط بالإنتان (SAE)، وهي حالة عصبية خطيرة تتميز بخلل واسع النطاق في الدماغ نتيجة للإنتان. باستخدام نموذج الإنتان في فئران C57 التي تم تحفيزها بواسطة الليبوساكاريد (LPS)، تكشف الدراسة أن التعرض لـ LPS يؤدي إلى فقدان الخلايا العصبية، وعيوب في المشابك، وضعف إدراكي، وتلف في الميتوكوندريا. حددت تحليلات المعلومات الحيوية والبلات الغربية بروتين Lipocalin-2 (LCN2) كجين محوري رئيسي يتم تنظيمه بشكل كبير خلال الإنتان، مما يساهم في الالتهاب المناعي والعصبي. من الجدير بالذكر أن إعطاء بروتين LCN2 المؤتلف أعاد إنتاج العيوب المشبكية والإدراكية التي لوحظت مع التعرض لـ LPS، بينما أدى تقليل LCN2 إلى تخفيف هذه التأثيرات، واستعادة وظيفة المشبك وتقليل فقدان الخلايا العصبية وتلف الميتوكوندريا المرتبط بجذور الأكسجين التفاعلية (ROS).
في الختام، تؤسس النتائج آلية مرضية جديدة تربط بين الإنتان والاعتلال الدماغي، حيث تؤدي زيادة مستويات LCN2 إلى بدء خلل الميتوكوندريا وفقدان الخلايا العصبية، مما يؤدي في النهاية إلى ضعف إدراكي. تقترح الدراسة أن استهداف LCN2 قد يقدم نهجًا علاجيًا واعدًا لمعالجة الضعف الإدراكي المرتبط بالإنتان.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الفيزيولوجيا المرضية المعقدة للاعتلال الدماغي المرتبط بالإنتان (SAE)، والذي يمكن أن يؤدي إلى خلل حاد في الدماغ، بما في ذلك الهذيان وضعف الإدراك. تؤكد على الدور الحاسم للخلايا النجمية في التوسط في إصابة الدماغ الالتهابية وعدم تنظيمها في ظل ظروف الإنتان، مما يساهم في الاضطرابات النفسية العصبية. يبرز القسم أهمية Lipocalin-2 (LCN2) كبروتين في المرحلة الحادة يشارك في الالتهاب العصبي، مع ملاحظة زيادة المستويات في الحصين خلال الإنتان. يُعتقد أن LCN2 مرتبط بآليات مرضية متنوعة، بما في ذلك موت الخلايا واضطراب حاجز الدم-الدماغ، على الرغم من أن دوره المحدد في SAE لا يزال غير واضح.
علاوة على ذلك، تربط المقدمة بين خلل الميتوكوندريا وعلم الأمراض لـ SAE، مشيرة إلى أن الميتوكوندريا ضرورية لإنتاج الطاقة وإدارة جذور الأكسجين التفاعلية. يقدم المؤلفون نتائج من دراستهم تشير إلى أن الإنتان يؤدي إلى فقدان الخلايا العصبية وضعف إدراكي في الفئران، والتي ترتبط بزيادة تنظيم LCN2. من المهم أن تقليل LCN2 في الفئران المصابة بالإنتان خفف من فقدان الخلايا العصبية والضعف الإدراكي، ربما عن طريق استعادة وظيفة الميتوكوندريا. تؤكد هذه الرؤى على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف لمسارات LCN2 والميتوكوندريا كأهداف علاجية في SAE.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام فئران C57BL/6 الذكور التي تبلغ من العمر ثمانية أسابيع للتحقيق في تأثيرات الإنتان المستحث بواسطة الليبوساكاريد (LPS) على الوظيفة الإدراكية ودور Lipocalin-2 (LCN2). تم تخصيص الفئران عشوائيًا لمجموعات تجريبية مختلفة، مما يضمن تمثيلًا متوازنًا من لترات مختلفة، وتم إيواؤها تحت ظروف مختبرية قياسية. شمل التصميم التجريبي مجموعة تحكم تتلقى محلول ملحي عادي ومجموعة نموذج تم حقنها بـ LPS (10 ملغ/كغ) لتحفيز الإنتان. بالإضافة إلى ذلك، لتقييم تأثير LCN2، تم تقسيم الفئران إلى مجموعات تتلقى إما بروتين LCN2 المؤتلف (50 ميكروغرام/كغ) أو محلول تحكم عبر حقن ثنائي الجانب في البطين.
تم إجراء تقييمات سلوكية وكهربائية حيوية وكيميائية حيوية بعد العلاج. تضمنت الاختبارات الرئيسية اختبار المجال المفتوح للحركة، واختبار التعرف على الكائنات الجديدة للذاكرة، وقياسات التحفيز طويل الأمد في شرائح الحصيني. تم إجراء التحليل المناعي لتحليل البروتينات المشبكية، مع استخدام الأكتين كتحكم تحميل. استخدمت الدراسة تحليلات إحصائية، بما في ذلك اختبارات t ذات الطرفين واختبارات مان-ويتني، لتقييم دلالة النتائج، مع الإشارة إلى درجات متفاوتة من الضعف الإدراكي وتلف المشابك المرتبطة بعلاج LCN2. تم تقديم البيانات كمتوسط ± SEM، مع تحديد عتبات الدلالة عند *p < 0.05، **p < 0.01، ***p < 0.001، و****p < 0.0001 مقارنة بمجموعة التحكم.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة أن التعرض لليبوبوليسكاريد (LPS) يؤدي إلى ضعف إدراكي في نموذج الفئران المصابة بالإنتان، يتميز بزيادة ملحوظة في Lipocalin-2 (LCN2). كشفت التقييمات السلوكية، بما في ذلك اختبارات التعرف على الكائنات الجديدة (NOR) واختبارات المتاهة Y، عن تفضيل أقل للكائنات الجديدة وانخفاض في الاستكشاف في الفئران المعالجة بـ LPS، مما يشير إلى ضعف في الذاكرة وقدرات التعلم. بالإضافة إلى ذلك، أدى علاج LPS إلى زيادة مستويات السيتوكينات الالتهابية مثل IL-1β وIL-6، مما يشير إلى استجابة التهابية حادة.
حدد تحليل المعلومات الحيوية لمجموعة البيانات المتعلقة بـ LPS GSE88959 58 جينًا معبرًا عنه بشكل مختلف (DEGs) مرتبطًا بوظائف الجهاز المناعي، مع ظهور LCN2 كجين محوري رئيسي من خلال تحليل تفاعل البروتينات. أكدت البلات الغربية مستويات بروتين LCN2 أعلى بشكل ملحوظ في الحصين للفئران المعالجة بـ LPS، مع ملاحظة زيادة التعبير بعد أسبوع واحد من الحقن. أشارت دراسات المناعة الفلورية إلى زيادة مستويات LCN2 في الخلايا النجمية التفاعلية والميكروغليا بعد التعرض لـ LPS، مما يدعم الفرضية القائلة بأن العيوب الإدراكية المستحثة بـ LPS قد تكون متوسطة بواسطة LCN2 المستمد من الخلايا الدبقية. بشكل عام، تسلط هذه النتائج الضوء على دور LCN2 في العمليات الالتهابية العصبية المرتبطة بالضعف الإدراكي الناتج عن الإنتان.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على دور Lipocalin-2 (LCN2) في تلف المشابك والعيوب الإدراكية المرتبطة بمختلف أمراض الجهاز العصبي المركزي، لا سيما في سياق الإنتان. تظهر الدراسة أن المستويات المرتفعة من LCN2 ترتبط بفقدان الخلايا العصبية والعيوب الإدراكية في نموذج الفئران المستحث بواسطة الليبوساكاريد (LPS) للإنتان. أشارت الاختبارات السلوكية، بما في ذلك اختبارات التعرف على الكائنات الجديدة (NOR) واختبارات المتاهة Y، إلى أن زيادة تنظيم LCN2 تؤدي إلى تقليل استكشاف الكائنات الجديدة وانخفاض الذاكرة المكانية، بينما كشفت التقييمات الكهربائية الحيوية عن انخفاض في وظيفة المشبك، كما يتضح من انخفاض ميل الجهد الكهربائي بعد التحفيز عالي التردد.
علاوة على ذلك، تشير الأبحاث إلى أن تقليل LCN2 يخفف من تلف الخلايا العصبية المستحث بواسطة LPS، ويعزز سلامة المشبك، ويحسن الوظيفة الإدراكية. وقد تم دعم ذلك من خلال النتائج التي أظهرت زيادة في تعقيد الشجيرات وكثافة الشوك في خلايا الحصيني بعد تقليل LCN2. توضح الدراسة أيضًا الآليات الأساسية، مقترحة أن LCN2 يساهم في خلل الميتوكوندريا والإجهاد التأكسدي، والتي تُعتبر مرتبطة بموت الخلايا العصبية. بشكل جماعي، تؤكد هذه النتائج على إمكانية استهداف LCN2 كاستراتيجية علاجية لتخفيف العيوب الإدراكية المرتبطة بالإنتان وغيرها من الحالات الالتهابية العصبية.
القيود
في هذه الدراسة، استكشفنا دور Lipocalin-2 (LCN2) الذي تفرزه الخلايا النجمية في سياق الالتهاب الجهازي وتأثيره على صحة الخلايا العصبية. بينما تشير نتائجنا إلى أن إلغاء LCN2 في الخلايا النجمية قد يقدم نهجًا علاجيًا أكثر فعالية، لاحظنا أيضًا مستويات مرتفعة من LCN2 في الميكروغليا داخل الحصين للفئران المعالجة بـ LPS، مما يتماشى مع الأبحاث السابقة التي أجراها جين وآخرون. ستركز التحقيقات المستقبلية على تأثيرات LCN2 المستمدة من الميكروغليا على وظيفة الخلايا العصبية.
بالإضافة إلى ذلك، تشير نتائجنا إلى أن LCN2 المفرز من الخلايا النجمية ضار بالخلايا العصبية، على الرغم من أننا لم نستهدف بشكل محدد مستقبلاته، 24p3R، التي يُعتقد أنها تتوسط تأثيرات LCN2. ستسعى الدراسات اللاحقة إلى التحقيق في دور مستقبل 24p3R في الآليات الكامنة وراء تلف الخلايا العصبية المستحث بواسطة LCN2. علاوة على ذلك، من الضروري استكشاف كيف يساهم LCN2 في خلل الميتوكوندريا والإجهاد التأكسدي في الخلايا العصبية، حيث قد تكون هذه المسارات حاسمة لفهم تأثيراته السامة على الأعصاب.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41419-025-07469-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40025014
Publication Date: 2025-03-01
Author(s): Cuiping Guo et al.
Primary Topic: Neuroinflammation and Neurodegeneration Mechanisms
Overview
The research investigates sepsis-associated encephalopathy (SAE), a serious neurological condition characterized by widespread brain dysfunction resulting from sepsis. Utilizing a sepsis model in C57 mice induced by lipopolysaccharide (LPS), the study reveals that LPS exposure leads to neuronal loss, synaptic deficits, cognitive impairments, and mitochondrial damage. Bioinformatics and western blot analyses identified Lipocalin-2 (LCN2) as a key hub gene significantly upregulated during sepsis, contributing to immune and neurological inflammation. Notably, administration of recombinant LCN2 protein replicated the synaptic and cognitive deficits observed with LPS exposure, while downregulating LCN2 mitigated these effects, restoring synaptic function and reducing neuronal loss and reactive oxygen species (ROS)-related mitochondrial damage.
In conclusion, the findings establish a novel pathogenic mechanism linking sepsis to encephalopathy, where increased LCN2 levels initiate mitochondrial dysfunction and neuronal loss, ultimately resulting in cognitive impairments. The study suggests that targeting LCN2 may offer a promising therapeutic approach for addressing cognitive dysfunction associated with sepsis.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the complex pathophysiology of sepsis-associated encephalopathy (SAE), which can result in acute cerebral dysfunction, including delirium and cognitive impairment. It emphasizes the critical role of astrocytes in mediating inflammatory brain injury and their dysregulation under septic conditions, which contributes to neuropsychiatric disorders. The section highlights the significance of lipocalin-2 (LCN2) as an acute phase protein involved in neuroinflammation, with increased levels observed in the hippocampus during sepsis. LCN2 is implicated in various pathological mechanisms, including cell death and blood-brain barrier disruption, although its specific role in SAE remains unclear.
Furthermore, the introduction links mitochondrial dysfunction to the pathogenesis of SAE, noting that mitochondria are essential for energy production and reactive oxygen species management. The authors present findings from their study indicating that sepsis leads to neuronal loss and cognitive deficits in mice, which are associated with LCN2 upregulation. Importantly, downregulating LCN2 in septic mice mitigated neuronal loss and cognitive impairments, potentially by restoring mitochondrial function. These insights underscore the need for further exploration of LCN2 and mitochondrial pathways as therapeutic targets in SAE.
Methods
In this study, eight-week-old male C57BL/6 mice were utilized to investigate the effects of lipopolysaccharide (LPS)-induced sepsis on cognitive function and the role of lipocalin-2 (LCN2). The mice were randomly assigned to various experimental groups, ensuring balanced representation from different litters, and housed under standard laboratory conditions. The experimental design included a control group receiving normal saline and a model group injected with LPS (10 mg/kg) to induce sepsis. Additionally, to assess the impact of LCN2, mice were divided into groups receiving either recombinant LCN2 protein (50 μg/kg) or a control solution via bilateral intraventricular injections.
Behavioral, electrophysiological, and biochemical assessments were conducted post-treatment. Key tests included the open-field test for locomotion, the novel object recognition test for memory, and long-term potentiation measurements in hippocampal slices. Immunoblotting was performed to analyze synaptic proteins, with actin as a loading control. The study employed statistical analyses, including two-tailed Student’s t-tests and Mann-Whitney tests, to evaluate the significance of findings, with results indicating varying degrees of cognitive impairment and synaptic damage associated with LCN2 treatment. Data were presented as mean ± SEM, with significance thresholds set at *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, and ****p < 0.0001 compared to the control group.
Results
The results of this study demonstrate that lipopolysaccharide (LPS) exposure induces cognitive impairments in a sepsis mouse model, characterized by a significant upregulation of lipocalin-2 (LCN2). Behavioral assessments, including the Novel Object Recognition (NOR) and Y-maze tests, revealed reduced novel object preference and decreased exploration in LPS-treated mice, indicating impaired memory and learning capabilities. Additionally, LPS treatment resulted in elevated levels of inflammatory cytokines such as IL-1β and IL-6, suggesting an acute inflammatory response.
Bioinformatics analysis of the LPS-related dataset GSE88959 identified 58 differentially expressed genes (DEGs) associated with immune system functions, with LCN2 emerging as a key hub gene through protein-protein interaction analysis. Western blotting confirmed significantly higher LCN2 protein levels in the hippocampus of LPS-treated mice, with increased expression observed at 1 week post-injection. Immunofluorescence studies indicated elevated LCN2 levels in reactive astrocytes and microglia following LPS exposure, supporting the hypothesis that LPS-induced cognitive deficits may be mediated by glial cell-derived LCN2. Overall, these findings highlight the role of LCN2 in the neuroinflammatory processes associated with sepsis-related cognitive impairments.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the role of Lipocalin-2 (LCN2) in synaptic damage and cognitive deficits associated with various central nervous system diseases, particularly in the context of sepsis. The study demonstrates that elevated levels of LCN2 correlate with neuronal loss and cognitive impairments in a lipopolysaccharide (LPS)-induced mouse model of sepsis. Behavioral tests, including the Novel Object Recognition (NOR) and Y-maze tests, indicated that LCN2 upregulation leads to reduced exploration of novel objects and decreased spatial memory, while electrophysiological assessments revealed diminished synaptic function, evidenced by a reduced slope of field excitatory postsynaptic potential (fEPSP) following high-frequency stimulation.
Furthermore, the research indicates that downregulation of LCN2 alleviates LPS-induced neuronal damage, enhances synaptic integrity, and improves cognitive function. This was supported by findings showing increased dendritic complexity and spine density in hippocampal neurons following LCN2 downregulation. The study also elucidates the underlying mechanisms, suggesting that LCN2 contributes to mitochondrial dysfunction and oxidative stress, which are implicated in neuronal apoptosis. Collectively, these findings underscore the potential of targeting LCN2 as a therapeutic strategy for mitigating cognitive impairments associated with sepsis and other neuroinflammatory conditions.
Limitations
In this study, we explored the role of lipocalin-2 (LCN2) secreted by astrocytes in the context of systemic inflammation and its impact on neuronal health. While our findings suggest that knocking out LCN2 in astrocytes may offer a more effective therapeutic approach, we also observed elevated levels of LCN2 in microglia within the hippocampus of LPS-treated mice, aligning with previous research by Jin et al. Future investigations will focus on the effects of microglia-derived LCN2 on neuronal function.
Additionally, our results indicate that astrocyte-secreted LCN2 is detrimental to neurons, although we did not specifically target its receptor, the 24p3R, which is believed to mediate LCN2’s effects. Subsequent studies will aim to investigate the role of the 24p3R receptor in the mechanisms underlying LCN2-induced neuronal damage. Furthermore, it is essential to explore how LCN2 contributes to mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurons, as these pathways may be critical for understanding its neurotoxic effects.