Towards new insights in psychiatric disorders: expression profiles of inflammation-related genes in murine models of sickness behaviour

Studi recenti suggeriscono che la depressione maggiore, la cui eziologia è ancora parzialmente ignota, possa essere determinata da processi infiammatori e interazioni tra il sistema neuroendocrino ed il sistema immunitario. L’interleuchina-1β (IL-1β) è una componente chiave dei processi infiammatori ed è stata recentemente correlata all’insorgenza di sindromi depressive maggiori. E’ stato inoltre ipotizzato che possa agire a livello del sistema nervoso centrale (SNC), dove sarebbe responsabile dell’induzione dei sintomi osservati nel cosiddetto sickness behavior – che riproduce le condizioni psicologiche dei sintomi depressivi – e di una diminuzione nella neurogenesi ippocampale. Abbiamo ipotizzato che diversi geni legati ai processi infiammatori, interagendo con l’IL-1β, possano essere direttamente coinvolti nella patofisiologia della depressione. Al fine di confermare tale ipotesi, abbiamo utilizzato topi con genotipo wild-type (WT) e topi deprivati dei principali componenti della risposta immunitaria innata, come topi knock-out per l’enzima ossido nitrico sintasi (NOS2-/-) e topi knock-out per l’enzima caspasi 1 (casp1-/-). I topi NOS2-/- sono privi di un potente mediatore infiammatorio, la forma inducibile dell’enzima ossido nitrico sintasi (NOS2), mentre i topi knock-out per l’enzima casp1 sono privi della forma matura e biologicamente attiva dell’IL-1β. Tutti i nostri topi sono stati trattati con lipopolisaccaride (LPS), una potente endotossina batterica in grado di indurre il sickness behavior in modelli murini. Tramite l’uso di Real-Time PCR quantitativa abbiamo caratterizzato per tutti i gruppi di topi i profili di espressione di nove geni coinvolti nei processi infiammatori – a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin repeats (ADAMTs1), cyclooxigenase 2 (COX2), nitric oxide synthase 2 (NOS2), chemoattractant cytokines 1 and 10 (CXCL1 and CXCL10), lipocalin 2 (LCN2), T-cell specific GTPase (TGTP), guanylate binding protein 2 (GBP2), e IL-1 receptor antagonist (IL1RA) – e di due geni coinvolti in disordini psichiatrici di diversa natura – latrophilin 3 (LPHN3, precedentemente associato al disordine da iperattività/deficit dell’attenzione) e disrupted in schizophrenia 1 (DISC1, precedentemente associato a schizofrenia). I profili di espressione di questi 11 geni sono stati investigati nell’ippocampo, una regione del SNC coinvolta nel controllo dell’umore e nella formazione della memoria, ed in due organi periferici che rappresentano il sistema immunitario (la milza) ed il sistema endocrino (le ghiandole surrenali). Dopo il trattamento dei modelli murini con LPS, abbiamo osservato un’esacerbata insorgenza dei sintomi del sickness behaviour con una letalità del 100% nei topi WT e NOS2-/- entro 12-24 ore. Al contrario i topi casp1-/-, sebbene anch’essi abbiano sviluppato una risposta infiammatoria, hanno mostrato una sopravvivenza del 100% alla letalità indotta dall’LPS a 24 ore dal trattamento. In modo significativo, abbiamo osservato una forte risposta infiammatoria nell’ippocampo di tutti i topi e ciò indica che gli effetti dell’IL-1β, a sua volta indotta dall’LPS, sono effettivamente molto potenti anche a livello cerebrale, e non solo negli organi periferici. Inoltre, è stato osservato un decremento pari a circa il 30% nell’attivazione ippocampale tardiva dei geni COX2, NOS2, IL-1RA e LCN2 in topi casp1-/-, oltre a differenze significative nei pattern di espressione dei vari geni in studio tra diversi tessuti. Nel complesso, i nostri risultati suggeriscono che i topi casp1-/- sono più protetti dagli effetti neuro-infiammatori indotti dall’LPS rispetto agli altri topi, e questo fortifica ulteriormente l’ipotesi che l’IL-1β possa giocare il più importante ruolo come fattore di stimolo e di regolazione dei geni correlati all’infiammazione. Inoltre, il fatto che ci siano dei profili di espressione diversi tra i vari tessuti in analisi suggerisce che i processi neuro-infiammatori possano essere temporalmente successivi all’instaurazione di una risposta infiammatoria periferica indotta dall’LPS. Grazie ai nostri risultati, abbiamo potuto ipotizzare un meccanismo patofisiologico che rappresenta il ruolo giocato da ognuno dei geni in studio nella complessa correlazione tra sistema nervoso, endocrino ed immune, fino all’insorgenza del sickness behaviour o dei sintomi depressivi. Questi meccanismi coinvolgono ipoteticamente l’attivazione di processi infiammatori in aree cerebrali, con un conseguente deficit della neurogenesi e modificazioni in tessuti cerebrali deputati al controllo dell’umore.

Recent studies suggest that major depressive disorder (MDD), whose etiology is still unknown, might be determined by inflammatory processes and interactions among the neuroendocrine and the immune system. Interleukin-1β (IL-1β) is a key component of inflammatory processes and it has recently been shown to be involved in MDD. It has been suggested to act in the central nervous system (CNS) both by inducing the symptoms observed in sickness behaviour – that mimic the psychological condition of depressive symptoms – and by decreasing neurogenesis in the hippocampus. We hypothesized that pro-inflammatory genes, interplaying with IL-1β, are directly involved in the pathophysiology of MDD. To test this hypothesis, we used wild-type (WT) mice and mice genetically deprived of major components of the innate immune response inflammatory arm, such as NOS2-/- and casp1-/- mice. NOS2 knockout mice lacked a potent pro-inflammatory mediator, the inducible form of nitric oxide synthase (NOS2), whereas casp1 knockout mice lacked the mature and biologically active form of IL-1β. All these mice have been treated with lypopolysaccharide (LPS), which is a potent bacterial endotoxin that induces sickness behavior in murine models. Using quantitative Real-Time PCR we have characterized for all these mice groups the spatial-temporal expression of nine inflammatory-related genes – a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin repeats (ADAMTs1), cyclooxigenase 2 (COX2), nitric oxide synthase 2 (NOS2), chemoattractant cytokines 1 and 10 (CXCL1 and CXCL10), lipocalin 2 (LCN2), T-cell specific GTPase (TGTP), guanylate binding protein 2 (GBP2), and IL-1 receptor antagonist (IL1RA) – and of two genes associated with other psychiatric disorders – latrophilin 3 (LPHN3, previously associated with attention deficit/hyperactivity disorder) and disrupted in schizophrenia 1 (DISC1, previously associated with schizophrenia). The profiles of expression of these 11 genes have been investigated within the hippocampus, a region of the CNS associated with mood control and memory formation, and in two peripheral organs representing the immune (spleen) and the endocrine system (adrenal glands). After challenging the murine models with LPS, we observed exacerbated sickness behavior that led to 100% lethality in WT and NOS2-/- mice between 12-24 hs. On the other hand, although casp1-/- models displayed an inflammatory response, 100% of these mice survived the LPS-induced lethality after 24h. Notably, we detected a high inflammatory response in the hippocampus of all mice, indicating that the effects of LPS-induced IL-1β are indeed strongly activated in the brain, as well as in peripheral organs. Moreover, we observed a nearly 30% decrease in late hippocampal activation of COX2, NOS2, IL-1RA, and LCN2 genes in casp1-/- mice, and differences in patterns of expression of the genes in study among different tissues, as well. Taken together, our results suggest that casp1-/- mice are more protected against neuro-inflammation induced by LPS than other mice, and this strengthens the hypothesis that IL-1β might play the most important stimulant role in the regulation of inflammation-related genes. Also, differential patterns of expression among tissues suggested that neuro-inflammatory processes might be temporally consequent to LPS-induced peripheral inflammation. Through our results, we were able to hypothesize a pathophysiological mechanism depicting the role played by each of the genes in study in the complex inflammatory, endocrine and neural networks finally converging into a state of sickness behaviour or depression. These processes hypothetically involve the activation of inflammation pathways in cerebral areas, with a consequent impairment of neurogenesis and changes in brain areas involved in mood regulation.