BACKGROUND: Lipopolysaccharide (LPS) administration in mice is a widely used model for studying inflammation-associated depression. However, the mechanisms underlying LPS-induced changes in the brain remain unclear.
AIM: This study is aimed to investigate behavioral, cellular, and molecular changes induced by chronic-interval LPS treatment in two brain regions implicated in depression, the hippocampus and the prefrontal cortex.
METHODS: The study involved adult wild-type male mice (2–3 months old, 25–35 g, n = 28) and glial cell primary cultures.
The experimental design included a two-phase LPS administration protocol (1 mg/kg, 3 injections intraperitoneally) with a 7-day interval. During the first phase, behavioral assessments were performed; whereas in the second phase, tissue samples (prefrontal cortex and whole hippocampus) were collected for molecular and histological analyses. Behavioral assessment included the Open Field Test (general activity and anxiety-like behavior), the Tail Suspension Test, the Sucrose Preference Test (anhedonia), and the Y-Maze Test (spatial working memory). Glial cell primary cultures were incubated in the presence of LPS to induce neuroinflammation and fibroblast growth factor 2 (FGF2) to assess changes in the microglial phenotype.
Molecular and cellular changes in vivo and in vitro were analyzed using real-time polymerase chain reaction and immunohistochemistry assays.
RESULTS: LPS-treated mice exhibited depression-like behavior, including decreased interest in hedonic stimulus, increased immobility, reduced locomotor activity, and memory deficits. The inflammatory reaction was associated with the elevated expression of proinflammatory cytokines (TNF-α, IL-1β) in both the spleen and brain with distinct regional patterns of astrocytic and microglial activation. LPS increased the expression of tight junction protein 1 (TJP1), vascular endothelial growth factor A (VEGFA), and E-selectin, decreased the expression of claudin 3, occludin, FGF2, and significantly increased the number of mast cells. Microglial activation was observed in both regions with a shift towards the amoeboid phenotype. Glutamatergic signaling was altered with downregulation of glutamate transporters (GLT-1) and glutamine synthetase in the hippocampus, suggesting the impaired glutamate buffering. In vitro, LPS induced microglial activation, which was reversed by FGF2.
CONCLUSION: LPS-induced neuroinflammation differentially affected the hippocampus and prefrontal cortex with the hippocampus appearing to be more vulnerable. FGF2 reversed LPS-induced microglial activation, indicating its potential as a therapeutic target for neuroinflammation-associated depression.
Обоснование. Введение липополисахарида (LPS) мышам является широко используемой моделью для изучения депрессии, ассоциированной с воспалением. Однако механизмы, лежащие в основе вызываемых LPS изменений в мозге, остаются недостаточно изученными.
Цель. Целью данного исследования было изучение поведенческих, клеточных и молекулярных изменений, индуцированных интервальным введением LPS, в двух ключевых для патогенеза депрессии областях мозга — гиппокампе и префронтальной коре.
Методы. Исследование проведено на взрослых самцах диких мышей (n = 28, возраст 2–3 мес, масса тела 25–35 г), а также на первичных культурах глиальных клеток.
Дизайн эксперимента включал введение LPS в дозе 1 мг/кг (3 инъекции внутрибрюшинно) в два этапа с 7-дневным интервалом. На первом этапе эксперимента оценивали поведенческие показатели, на втором проводили забор тканей (префронтальная кора и целый гиппокамп) для молекулярного и гистологического анализа. Для оценки поведения использовали тест «Открытое поле» (общая активность и тревожность), тест подвешивания за хвост, тест предпочтения сахарозы (ангедония) и Y-образный лабиринт (пространственная рабочая память). Первичные культуры клеток глии инкубировали в присутствии LPS — для индуцирования нейровоспаления и фактора роста фибробластов 2 (fibroblast growth factor, FGF2) — для оценки изменения фенотипа микроглиальных клеток.
Молекулярные и клеточные изменения in vivo и in vitro анализировали с помощью полимеразной цепной реакции в режиме реального времени и методов иммуногистохимии.
Результаты. Введение LPS вызвало у мышей депрессивно-подобное поведение, включая снижение интереса к гедоническому стимулу, увеличение времени нахождения в неподвижном состоянии, снижение общей двигательной активности и нарушения памяти. Воспалительная реакция сопровождалась повышенной экспрессией провоспалительных цитокинов (TNF-α, IL-1β) в селезёнке и головном мозге, при этом выявлены региональные различия в активации астроцитов и микроглии. У мышей, получавших LPS, наблюдали увеличение экспрессии белка плотных контактов 1 (tight junction protein 1, TJP1), фактора роста эндотелия сосудов A и E-селектина, снижение экспрессии клаудина 3, окклюдина, FGF2 и значительное повышение количества тучных клеток. В обоих отделах мозга отмечалась активация микроглии, сопровождающаяся увеличением доли амёбоидных форм клеток. В гиппокампе выявлены изменения глутаматергической передачи, включая снижение экспрессии глутаматного транспортера GLT-1 и глутаминсинтетазы, что указывает на нарушение механизмов буферизации глутамата. В экспериментах in vitro LPS индуцировал активацию микроглии, которая была нивелирована добавлением FGF2.
Заключение. Нейровоспаление, вызванное введением LPS, по-разному повлияло на гиппокамп и префронтальную кору, при этом гиппокамп демонстрировал бóльшую уязвимость. Обнаруженный нейропротекторный эффект FGF2 в отношении LPS-индуцированной активации микроглии указывает на его потенциальную роль в терапии депрессии, ассоциированной с воспалением.