Corticosterone-induced expression of peroxiredoxin1 in microglia to attenuate stroke damage

Abstract

Stroke is one of the lethal diseases caused by cerebral vascular occlusion. Stroke induces an excessive amount of reactive oxygen species (ROS), a key molecule of neuroinflammation. To protect tissue from oxidative stress, antioxidants such as Peroxiredoxin enzymes are expressed to remove ROS. Neuronal cells are vulnerable to oxidative stress due to the relatively poor expression of antioxidants. Therefore, it is very important to understand the redox mechanism regulated by microglial cells, the resident immune cells in the brain, which are responsive to oxidative stress. Corticosterone (CORT), known as the stress hormone, is induced by various stress stimuli including oxidative stress and neuroinflammation. Corticosterone is well known to have an immune-suppressive function but the studies on the influence that corticosterone has are controversial depending on various conditions, so it is necessary to understand the effect of corticosterone in stroke which induce acute oxidative stress. First, we conducted a transient middle cerebral occlusion(tMCAO) that produces excessive ROS using Prdx1- and Prdx2-deficient mice. Infarction size, motor test, and neurological deficit all showed more severe outcomes in Prdx1-deficient mice, while Prdx2-deficient mice didn’t show increased damage compared to WT mice. Oxygen-glucose deprivation (OGD) experiment on BV2 mouse microglial cells showed microglia cells without Prdx1 or Prdx2 are similarly affected by hypoxia stress, indicating studies on complex metabolism are needed. We investigated the pattern of hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis hormone changes in the acute phase of stroke which are known to effect on before and after stroke onset. Before the stroke, WT, Prdx1-, and Prdx2- deficient mice showed undisrupted diurnal cycles. After the stroke, peroxiredoxin deficiency is meant to show more increase in corticosterone, but Prdx1-deficient mice didn’t show enough stress response. Through this data, we could hypothesize lack of a defense mechanism by stress response through the HPA axis increases the damage by stroke. To test if the viability of microglia is improved with enough stress response through corticosterone, we conducted an OGD experiment on BV2 microglial cells after the treatment of corticosterone. Cell viability was increased and neuroinflammation was reduced, confirming corticosterone has a protective effect on microglia when exposed to hypoxia stress. To assess the mechanism of how corticosterone increases the viability of microglia, we checked the peroxiredoxin expression. Corticosterone is known to affect NRF2 signaling which transcripts antioxidants including Prdx1, but not Prdx2, in response to oxidative stress. In vivo, and in vitro data showed an increase in Prdx1 expression with corticosterone treatment, but not in Prdx2. As a result, we could conclude sufficient stress response through corticosterone has a protective mechanism through microglia by expressing Prdx1. This may suggest the understanding of stroke-associated microglia (SAM) which is a novel population increased when stroke occurs and express Prdx1 to protect the brain from oxidative damage.;뇌졸중은 뇌혈관 폐색으로 인한 치명적인 질병 중 하나이다. 뇌졸중은 염증반응의 핵심 분자인 활성산소종(ROS)을 과도하게 유도한다. ROS로 인한 산화적 스트레스로부터 조직을 보호하기 위해 peroxiredoxin과 같은 antioxidant가 발현되어 ROS를 제거한다. 신경세포는 상대적으로 antioxidant의 발현이 좋지 않아 산화적 스트레스에 취약하다. 따라서, 산화적 스트레스에 반응하는 뇌의 resident 면역 세포인 microglia에 의해 조절되는 redox 메커니즘을 이해하는 것은 매우 중요하다. 스트레스 호르몬으로 알려진 코르티코스테론(CORT)은 산화적 스트레스와 염증반응과 같은 다양한 스트레스 자극에 의해 유도된다. 코르티코스테론은 면역반응을 억제한다고 알려져 있지만 코르티코스테론의 기능에 대한 연구는 각기 다른 환경적 조건에 따라 달라질 수 있어 뇌졸중 후 뇌손상이 발생하는 acute stage에서의 코르티코스테론에 대한 연구가 필요하다. 먼저 Prdx1과 Prdx2 결핍 마우스를 사용하여 과도한 ROS를 생성하는 transient middle cerebral artery occlusion 마우스 모델을 제작하였다. 경색 크기, neurological deficit, 운동능력 기능 모두 Prdx1 결핍 마우스에서 더 안 좋은 결과를 보였으며, Prdx2 결핍 마우스는 WT 마우스에 비해 손상이 증가하지 않았다. BV2 마우스 microglia로 OGD 실험을 진행한 결과 Prdx1 또는 Prdx2가 없는 microglia는 hypoxia로 인한 cell death 정도가 유사하게 나타난다는 것을 보여주었으며, 이는 신체에서 조절되는 복잡한 메커니즘에 대한 이해가 필요하다는 점을 시사했다. 이를 확인하기 위해서 뇌졸중 발병 전후에 영향을 미치는 것으로 알려진 스트레스 호르몬인 corticosterone의 발현 패턴을 뇌졸중 이후 acute phase에서 확인하였다. 뇌졸중 이전에 Prdx1 결핍 마우스는 코르티코스테론의 발현이 전체적으로 높았으며, stress에 지속적으로 노출되어 있을 경우 뇌혈관 질환에 취약하다는 연구 결과들을 미루어 보면 Prdx1이 뇌졸중 이후 안 좋은 예후를 보이는 이유가 될 수 있다고 생각한다. 뇌졸중 이후 peroxiredoxin이 없으면 더 많은 산화적 스트레스 발생하므로 코르티코스테론이 증가비율이 높지만, Prdx1 결핍 마우스는 충분한 스트레스 반응을 보이지 않았다. 이 데이터를 통해, HPA 축을 통한 스트레스 반응에 의해 방어 반응이 충분히 일어나지 않으면 뇌졸중에 의한 손상이 증가된다는 가설을 세울 수 있었다. 코르티코스테론을 통해 충분한 스트레스 반응이 일어나면 microglia의 생존이 향상되는지를 테스트하기 위해 코르티코스테론 처리 후 BV2 micrglia 세포를 대상으로 OGD 실험을 진행했다. 코르티코스테론이 산화적 스트레스에서 microglia의 세포사멸이 감소하고 염증반응이 감소되는 것을 통해 microglia를 보호하는 기능이 있음을 알 수 있었다. 코르티코스테론이 microglia의 생존을 증가시키는 메커니즘을 이해하기 위해 antioxidant인 peroxiredoxin의 발현량을 확인하였다. 코르티코스테론은 산화적 스트레스에 반응하여 Prdx1을 포함하는 산화 방지제를 전사하는 NRF2 signaling에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. In vivo나 in vitro에서 모두 코르티코스테론을 통한 Prdx1 발현이 증가하였으나 Prdx2 발현은 증가하지 않았다. 결과적으로, 이 연구에서는 코르티코스테론은 microglia에서 Prdx1의 발현을 증가시켜 stroke 상황에서 발생하는 oxidative stress를 경감시킬 수 있을 것임을 알 수 있었다. 이것은 또한 뇌졸중에서 증가한다고 알려진 새로운 군집인 뇌졸중 관련 마이크로글리아(SAM)의 발현 과정에 대한 가능성 있는 메커니즘을 제시한다.